在现代开关电源设计中，振铃现象的成因与机理

在现代开关电源设计中，MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管)的振铃现象是一个常见且复杂的问题。特别是在反激式电源等拓扑结构中，MOS管在开关过程中可能出现两次明显的振铃现象。这种现象不仅影响电路效率，还可能引发电磁干扰(EMI)超标、器件过热甚至击穿等问题。本文将深入探讨MOS管两次振铃的成因、机理及解决方案，帮助工程师更好地理解和处理这一挑战。

一、振铃现象的成因与机理

1.1 基本概念

振铃现象本质上是寄生参数形成的LC谐振电路在开关动作时的阻尼振荡。当MOS管在开通和关断状态间切换时，电流的快速变化(di/dt)会在寄生电感上感应出高压尖峰，与寄生电容相互作用，产生高频振荡。这种振荡在波形上表现为电压或电流的多次起伏，如同“铃响”一般，故称为振铃。

1.2 寄生参数的影响

振铃的主要成因包括：

‌寄生电感‌：PCB走线电感(每毫米约1nH)、MOS管封装引线电感(TO-247封装约10nH)以及变压器漏感等，这些电感在电流突变时储存能量。

‌寄生电容‌：MOS管输出电容Coss(通常在100pF至1nF之间)、PCB分布电容以及续流二极管的结电容等，这些电容在电压变化时充电放电。

‌快速开关‌：现代MOS管的开关速度极快(tr/tf可达10ns级)，导致di/dt轻易超过2A/ns，在50nH寄生电感上可感应出100V以上的尖峰电压。

1.3 阻尼比与振荡条件

振铃是否发生取决于阻尼比ζ = R/(2√(L/C))。当ζ < 1(欠阻尼)时，电路必然振荡;ζ > 1(过阻尼)时，振荡被抑制但响应变慢。工程实践中，通常将ζ调至0.7-1.0之间以平衡振荡抑制和开关速度。

二、MOS管两次振铃的具体分析

2.1 第一次振铃

第一次振铃通常发生在MOS管关断的瞬间。此时，寄生电感(包括初次级间的漏电感、初级励磁电感以及MOS管封装电感之和)将能量传递给寄生电容(如MOS管的Coss和线路寄生电容)充电。充电结束后，寄生电容又释放电能给寄生电感储能，如此循环往复，形成第一次振铃。

等效电路模型为一个LC谐振回路，其中L为上述寄生电感之和，C为寄生电容。振铃的频率由LC值决定，通常为高频范围。

2.2 第二次振铃

第二次振铃是开关电源断续导通模式(DCM)下特有的现象。在DCM模式下，当MOS管关断时，次级反射电流在变压器线圈换相期间会降至零。在反射电流消耗为零之前，次级线圈的输出电压高于实际输出电压;而当反射电流消耗为零时，次级线圈的输出电压降至零。这种电压的突变会耦合到初级线圈，并在MOS管与线圈连接的开关节点处产生衰减振荡，形成第二次振铃。

与第一次振铃不同，第二次振铃的等效电路模型涉及变压器的耦合特性，振铃频率通常较低，且与负载条件密切相关。

三、振铃现象的危害

3.1 电磁干扰(EMI)超标

振铃产生的高频噪声会通过空间辐射和传导途径传播，导致EMI测试超标。这不仅可能影响其他电子设备的正常工作，还可能违反电磁兼容性(EMC)法规。

3.2 器件过热与击穿

振铃产生的电压尖峰可能超过MOS管的耐压极限，导致器件击穿。同时，频繁的开关动作和振荡会增加器件的开关损耗，引发过热问题，缩短器件寿命。

3.3 动态负载切换失效

在动态负载切换时，MOS管可能面临较大的电流应力和快速变化的电流，导致振铃现象加剧。严重时，可能引发栅极振荡，使MOS管反复开通和关断，最终导致器件烧毁。

四、解决方案与工程实践

4.1 栅极侧振铃抑制

4.1.1 栅极串联电阻(Rg)

在栅极驱动电路中串联电阻是抑制振铃最直接有效的方法。Rg与栅极寄生电感Lg、栅源电容Cgs组成RLC回路，通过增大Rg值提升阻尼比，抑制振荡。

‌取值原则‌：Rg的下限应保证驱动电流足够，防止开通不足;上限应避免开关过慢，增加开关损耗。推荐值通常为5-50Ω，可独立调节开通与关断电阻(Rg_off通常小于Rg_on)。

‌工程实践‌：在48V/30A电机驱动中，将Rg从0Ω增至15Ω，栅极振荡从3Vpp降至0.5Vpp，开关损耗仅增加5%，但EMI降低15dB。

4.1.2 栅源并联电阻(Rgs)

在栅源极间并联10kΩ-100kΩ电阻，为寄生电容提供放电回路，降低输入阻抗，吸收振荡能量。同时，确保MOS管在驱动悬空时可靠关断。

4.1.3 栅源并联电容(Cgs_ext)

在栅源极间并联10-100pF小电容，吸收因dVDS/dt引起的栅漏电流，防止米勒效应导致的误导通和栅极击穿。电容值不宜过大，以免增加驱动损耗。

4.1.4 栅极TVS/齐纳保护

在栅源极间并联TVS二极管或齐纳管，抑制瞬态高压，保护栅极免受击穿。

4.2 漏极侧振铃抑制

4.2.1 优化PCB布局

减小PCB走线寄生电感，使MOS管驱动线尽可能短，以降低振铃幅度。同时，确保驱动芯片的旁路电容尽量靠近芯片引脚，减少走线电感对驱动信号的影响。

4.2.2 使用缓冲电路

在MOS管漏极与源极之间添加RC缓冲电路，吸收开关过程中的能量，抑制振铃。缓冲电路的设计需根据具体应用场景进行优化。

4.3 变压器设计优化

对于涉及变压器的拓扑结构(如反激式电源)，优化变压器设计以减少漏感和分布电容，从而降低振铃现象。例如，采用三明治绕法等先进工艺，改善变压器的电磁性能。

五、结论与展望

MOS管在开关过程中出现的两次振铃现象是一个复杂且多方面的问题，涉及寄生参数、电路拓扑和工作模式等多个因素。通过深入理解振铃的成因和机理，并采取有效的抑制措施，如优化栅极驱动电路、改进PCB布局和设计缓冲电路等，可以显著降低振铃现象对电路性能的影响。随着电力电子技术的不断发展，未来将有更多创新性的解决方案涌现，进一步提升开关电源的效率和可靠性。