分析DC-DC电源电路最小导通时间不足导致的输出纹波增大问题

科创闲谈 2025-02-10 趣味人生 104695

项目场景：

二级BUCK电源电路，DCDC芯片输入5V，输出0.74V，开关频率2.1MHz。工作在FCCM模式。

如下图1所示：

问题描述

1、测试发现输出电压纹波超过100mV，纹波频率约94kHz。不满足后级芯片对纹波噪声的要求。如下图

2、如下图，同时测量SW管脚信号和输出信号。其中绿色是DCDC的SW管脚信号，黄色是输出电压（上面的毛刺脉冲是探头串扰，实际波形见上图1） 。可以看出SW信号的脉冲宽度是一直在变化的，从而也导致输出电压不断变化，变化趋势与SW的变化对应。

如下图3，输出电压最低点开始，脉冲宽度持续10来个周期一直在80ns左右

3、输出电压达到最高点后，输出脉冲宽度变成14ns左右的尖峰脉冲。然后导致输出电压开始下降。

原因分析：

SW脉冲宽度变化的原因与DCDC的最小导通时间有关。理论计算SW信号的高电平脉冲宽度约等于0.74V/（5V*2.1MHz）=69ns。DCDC手册上要求Minimum on time 时间Typ值为50ns，没有给出Minimum on time的最大最小值。与DCDC芯片厂家确认，这个最大值大概在75ns~80ns。与上面实际测试结果中的80ns相符。

由于实际要求的导通时间是69ns，而DCDC高侧MOS至少要打开80ns（Minimum on time），几个周期后就会把输出冲高，但是FB比较器反馈的结果又需要关闭Switch，从而让输出变低，相当于引入了一个干扰源。从而导致了大的输出波纹。

什么是最小导通时间，为什么需要有最小导通时间？ 在许多开关模式电源转换器中，电感电流是在导通时间内测量的。此电流用于过流保护，并用于根据电流闭环控制原理（电流模式控制）工作的稳压器中，环路调节也需要测量电感电流。在开关瞬变后，必须先降开关过程中产生的噪音才能进行准确的电流测量。这需要一些时间，也称为消隐时间。而这段时间内内置的电流限制比较器也不会工作，高侧MOS的Gate输出驱动也就不会被关断。

解决方案：

根据上述的分析结论，做了一些验证：

1、提高输出电压，增大高电平占空比---输出电压纹波消失

2、降低输入电压，增大高电平占空比---输出电压纹波消失

3、降低开关频率------输出电压纹波消失

上述验证结果证实了前面的分析结论。但由于输入电压和输出电压都不能改变，所以最终选择降低开关频率。

开关频率由2.1M变成1.38M，SW脉冲宽度理论值为：0.75V/（5V*1.38MHz）=108ns，大于Minimum on time要求的最大值80ns。

总结：DCDC电源电路设计的时候需要考虑电源IC的最小导通时间（Minimum on time或者称为消隐时间），而且要保证实际需要的导通时间大于Minimum on time的最大值，如果芯片中没有体现最大值要求，需要找厂家确认清楚。否则电源输出会有问题。

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