是什么引起我的DC / DC升压转换器大振荡？这是地面反弹还是其他影响？

我为DC-DC升压转换器设计了第一块PCB，结果发现它产生了非常嘈杂的输出。该设计基于MIC2253。
这是一个示意图：

尽管我的电路允许输入电压（Vin）和输出电压（Vout）的不同组合。我正在调试的情况是Vin = 3.6V和Vout = 7.2V。负载是一个120欧姆的电阻。我计算出占空比D = 0.5（即50％）。这似乎在数据手册中规定的最小10％和最大90％占空比限制内。其他组件（即电容，电感器，电阻器）与数据手册在其应用示例中建议的内容相同或相似。

该设计似乎在输出上提供了正确的RMS升压电压，但是在通过示波器查看信号后，我看到阻尼正弦电压振荡周期性地出现，这似乎是由电感器的开关引起的。我看到板上几乎每个接地点都有相同的振荡。输出上的振荡很大，即峰峰值之间为3V。经过一些研究后，看来我的问题并不是我选择的转换器特有的，而是我的PCB布局问题（请参阅下面的链接）。我不确定如何修改布局以确保可接受的结果。

这些文档对于调试问题似乎很有用：

• http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf
• http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vol41n2.pdf
• http://www.enpirion.com/Collat​​eral/Documents/English-US/High-frequency-implications-for-switch-mode-DC-R_0.pdf
• http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/3645
• http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/735

我已经附上了三张图片。“原始pcb.png”包含我遇到问题的板的图像。它是一个2层板。红色是最上层的铜。蓝色是底部的铜。

“ current loops.jpg”显示了具有两个不同电流路径的橙色和黄色覆盖层的原型板，用于给电感器充电（橙色）和放电（黄色）。其中一篇文章（http://www.physics.ox.ac.uk/lcfi/Electronics/EDN_Ground_bounce.pdf）提出，两个电流环的面积不应改变，因此，我试图将其变化减至最小在新布局的区域中，我从“ pcb_fix.png”开始。我修改了原始PCB，使其更接近于这种新布局，但是，电路板的性能没有改变。还是吵！hack的质量不如“ pcb_fix.png”中所示，但是这是一个合理的近似值。我本来希望可以有所改善，但是我没有看到任何改善。

我仍然不确定如何解决此问题。也许地面倒灌会引起过多的寄生电容？也许电容的阻抗太大（ESR或ESL）？我不这么认为，因为它们都是陶瓷多层的，并且具有数据表中要求的值和介电材料，即X5R。也许我的走线可能有太多的电感。我选择了屏蔽电感器，但是它的磁场是否可能干扰我的信号？

任何帮助将不胜感激。

应张贴者的要求，我提供了一些在不同条件下的示波器输出。

输出，AC耦合，1M Ohm，10X，BW limit OFF：

输出，AC耦合，1M Ohm，10X，BW limit OFF：

输出，交流耦合，1M欧姆，10X，带宽限制20Mhz：

输出，交流耦合，1M欧姆，1X，带宽限制20Mhz，1uF，10uF，100nF电容和120 ohm电阻分流输出，即它们都是并联的：

开关节点，直流耦合，1M Ohm，10X，BW limit OFF

交换节点，交流耦合，1M欧姆，10X，带宽限制20Mhz

添加：原始振荡大大衰减，但是，在重负载下会出现新的不良振荡。

实施了Olin Lathrop建议的若干更改后，观察到振荡幅度大大降低。通过将振荡降低到2V峰峰值，可以使原始的电路板变黑以近似新的布局：

要获得新的原型板，至少需要2周和更多的资金，因此在解决问题之前，我避免使用此命令。

添加额外的22uF输入陶瓷电容器的差别可忽略不计。但是，压倒性的改进来自简单地在输出引脚之间焊接22uF陶瓷帽并测量跨帽的信号。这使噪声最大幅度达到了150mV峰峰值，而没有任何带宽限制范围！！Madmanguruman提出了一种类似的方法，但他建议改变探针的尖端而不是电路。他建议在地面和尖端之间放两个帽：一个10uF电解和一个100nF陶瓷（我假设是并联的）。此外，他建议将测量带宽限制为20Mhz，并将探头设为1x。这似乎也具有大约相同幅度的噪声衰减效果。

我不确定这是一个可接受的低本底噪声还是什至是开关转换器的典型噪声幅度，但这是一个巨大的改进。这令人鼓舞，因此我继续测试电路在更大负载下的鲁棒性。

不幸的是，在较重的负载下，电路产生了一些新的怪异行为。我用30欧姆的电阻负载测试了该电路。尽管该板仍可以按原样提高输入电压，但现在输出具有低频锯齿/三角波输出。我不确定这表示什么。在我看来，输出电容的恒流充电和放电频率远低于1 Mhz的开关频率。我不确定为什么会这样。

在相同的测试条件下探测开关节点时，信号杂乱无章，振荡异常。

找到解决方案

该问题已得到解答，电路运行正常。正如Olin Lathrop所建议的，问题确实与控制回路的稳定性有关。我收到了很多建议，但是，奥林是唯一建议采取这种行动的人。因此，我相信他为我的问题提供了正确的答案。但是，我非常感谢大家的帮助。提出的一些建议仍然与改进设计有关，并将在董事会的下一个修订版中实施。

我也被迫遵循奥林的建议，因为我注意到锯齿/三角形输出的频率与开关节点处信号的方波部分的出现频率相同。我以为输出电压的上升是由于成功地给电感器通电，而下降是由于在开关节点上信号的振荡部分期间未能充分地给电感器通电。因此，这是一个稳定性问题，这是有道理的。

根据奥林（Olin）的建议，仔细研究补偿引脚，我确定增加comp引脚上RC串联网络的电容可恢复控制环路的稳定性。从方波输出可以看出，这对切换节点的影响非常明显：

消除了低频锯齿/三角波。

某些高频噪声（100Mhz）可能仍然存在于输出上，但是，有人提出，这只是测量的伪像，当200Mhz示波器的带宽限制为20Mhz时，该噪声会消失。此时的输出非常干净：

我想我仍然对高频噪声有一些疑问，但是，我认为我的问题更笼统，而不是特定于此调试问题，因此，线程在此处结束。

您的原理图过大，并且布局混乱，不鼓励人们响应。例如，请勿绘制向上的接地线，除非这些零件确实来自负电压。如果希望其他人查看原理图，请给他们一些尊重。不要让我们倾斜头来阅读东西，并确保文本不会与图形的其他部分重叠。注意这些细节不仅可以提高您的信誉，还可以显示出对您的帮助的尊重。我确实早些时候就看到了这个问题，但是以上所有这些使我觉得“麻烦太多了，搞砸了”，然后我继续讨论麻烦因素较少的问题。

您给了我们很多细节，但忘记了明显的高级问题。输出应该是什么电压？您在漫长的撰写中提到了升压，但输出连接器似乎也写入了“ 7.2V”。这与输入写入的“ 2.5V-10V”不匹配。通过电感器，开关和二极管的接线方式，您可以获得升压拓扑。如果输入超过所需的输出电压，这将无法正常工作。您实际的输入和输出电压是多少？在什么时候？

现在到了铃声。首先，其中某些东西显然是作用域工件。您有一个非常小的（2.2µH）电感器。我没有看过控制器数据表，但这听起来很低。控制器应该以什么开关频率工作？除非它是MHz或更高，否则我对电感的2.2 µH选择持怀疑态度。

让我们看一下您的一些范围跟踪：

这实际上显示了合理预期的开关脉冲。从中我们还可以看到，至少在这种情况下，开关频率为1 MHz。那是你想要的吗？

走线从左侧开始，开关处于闭合状态，以便电感器正在充电。开关在100 ns断开，因此电感器输出立即上升，直到其电流开始通过D1释放为止。那是8V，所以考虑到D1是肖特基二极管，但输出大电流脉冲，输出电压显然约为7.5V（最好知道平均值有多大，或者至少有多大的平均值）。持续300 ns，直到电感在t = 400ns放电为止。

在这一点上，电感器的输出侧是开路的，仅被连接到对地的寄生电容。电感和此寄生电容形成振荡电路，产生振荡。在下一个脉冲之前只有两次振荡，但是请注意它是如何轻微衰减的。二极管关闭后，电感器中剩下的少量剩余能量现在在电感器和电容之间来回晃动，但是每个周期都有一点耗散。这完全符合预期，并且是这种开关电源的特征之一。请注意，振铃频率约为5 MHz，在实际的商业设计中，您必须小心操作以免产生辐射。实际上，这种振铃可能是开关电源的主要发射，

我们还可以看到，振铃向4V以下的一点衰减，这告诉我们在这种情况下使用的输入电压。这证实了它至少在这种情况下确实以大约2倍的升压作为升压转换器工作。电感充电和放电相位大致相等，也证实了2倍的升压，在这种情况下，每个相位均为300 ns。

当开关在t = 800ns再次导通时，自由振铃电路的相位突然结束。开关保持开启状态约300ns，为电感器充电，整个过程重复大约1 µs。

该作用域跟踪实际上显示了预期的工作。这里没有吸烟枪。

您抱怨输出振荡，但是不幸的是，您的示波器跟踪都没有显示出这一点。早期的信号没有意义，因为它们最有可能显示示波器伪像，而共模接地反弹则显示为差分信号。甚至这个：

没有告诉我们太多。注意敏感的电压刻度。以20 mV /格的电压在这里不足为奇。其中的一些几乎可以肯定是共模瞬变会混淆示波器，使它们显示为差分信号。较慢的部分是二极管导通，然后不导通，电流脉冲被电容器部分吸收。

那么，所有这些都归结为到底是什么问题？如果在多个开关周期内看到输出上的大规模电压波动，请显示出来。那就是我原本以为你在抱怨的。如果是这种情况，请仔细查看切换器芯片的补偿网络。我没有查找数据表，但是从引脚12的名称“ comp”以及C4和R2连接到它的事实来看，这几乎可以肯定是反馈补偿网络。通常，数据表只告诉您使用什么，而没有提供足够的信息来反正您自己的值。仔细阅读数据表的这一部分，看看您是否满足使用条件的所有条件。这些是该部分的建议值，对吗？

添加：

我本来想提这件事，但它从裂缝中溜走了。您必须确保电感没有饱和。这可能会导致各种令人讨厌的问题，包括较大的瞬态和控制不稳定。从我复制的第一个示波器迹线中，我们可以看到电感器从大约3.8 V的电压中充电了300ns。3.8Vx 300ns / 2.2µH = 518mA。在这种情况下，就是峰值电感电流。但是，这是一个相当低的输出电流。再次从示波器轨迹可以推断出输出电流仅为约75-80 mA。在较高的输出电流下，峰值电感器电流将上升，直到最终控制器将以连续模式运行（我猜，但这很可能）。您必须确保电感器电流在整个范围内不超过其饱和极限。电感的额定功率是多少？

已添加2：

我认为这里有两个基本问题：

1. 您期望开关电源像您看到的线性电源一样具有低噪声。这是不合理的。

2. 您将获得许多测量伪像，这些伪像会使输出看起来比实际情况差很多。

您的原始布局无济于事。第二个比较好，但是我仍然希望看到一些改进：

不幸的是，您打开了tStop层，使我们真正想看的东西杂乱无章，但我认为我们仍然可以解密这张图片。

现在，您有一条从二极管到输出端的直通路径，回到了输入端的接地端，而无需在接地平面上切割。与原始版本相比，这是一个很大的改进。但是，您已经将接地平面弄碎了，中间有一个大的L形槽，一直延伸到底部边缘。接地平面底部的左右部分仅通过长距离连接。可以通过减少一些网的过大间距要求，并稍微移动一些部件来轻松解决此问题。例如，没有理由使+输入右侧的两个非常大的过孔不会分开得更小，以使地平面在它们之间流动。R3的左侧，二极管的阴极与C5之间以及板边缘与D1之间也是如此。

我也认为您在切换器之前和之后的电容都太小。像C5一样将C1更改为22µF，并在JP2的两个引脚之间立即添加另一个陶瓷帽。

使用新版式尝试新的实验。手动在板子底部JP2的引脚之间直接焊接另一个22pF的盖子。然后将示波器探头的接地夹到“-”引脚（不是板上的其他接地点，仅直接固定到“-”引脚），然后将探头本身钩到“ +”引脚（同样在该引脚上），而不是输出电压网上的其他点）。确保没有任何其他东西连接到板上，包括任何其他示波器探头，接地夹，接地线等。唯一的其他连接应该是电池，也不要连接其他任何东西。保持此设置至少一英尺左右，使其远离任何导电的东西，尤其是接地的东西。现在看一下输出波形。我怀疑您会发现在您发布的第一个示波器跟踪中出现的噪声要少得多。

首先，我要检查您追逐的问题确实存在，并且不是示波器接地不良造成的假象。我花了好几个小时来追踪电源轨上的噪音，却发现当我使用示波器探头的接地而不是单独使用示波器的电线时，噪音消失了（几乎消失了）。

在电源领域中，“适当的”纹波和噪声测量非常具体地进行，以避免拾取CM噪声。

$10 \mu F$$100 nF$$1 M \Omega$

如果您现在看到的波纹波形看起来完全不同，那么我可以得出结论，由于CM拾取，您的原始测量存在缺陷。否则，您的手上会有合法的噪音问题。

更新1：我看到您已经在原理图和布局上将AGND和PGND硬连线在一起，并且您的补偿组件将连接到与AGND引脚分开的电源地。这是“一件坏事”。仔细查看Micrel参考布局。补偿和软启动电容器的返回全部都路由至专用接地，然后将其连接至AGND，再连接至PGND。这样可以确保没有大的开关电流会干扰敏感的补偿和控制组件。

从您提供的开关节点波形来看，当您打开开关时，似乎会出现HF振铃。该IC无法控制接通和关断时间（集成了FET），因此您可能需要尝试使用其他升压整流二极管，或者添加一些缓冲器以使振铃静音。

我认为您的稳压器布局远远不够-请检查数据表中提供的示例：

所有滤波器都直接位于IC旁边（尤其是C5）。例如，您的输出电容（C5）距离IC超过一英寸。使C3与您选择电压时的距离太远也会引起问题（FB引脚上产生的噪声会导致开关不稳定）？

不要让那篇关于地面反弹的文章将您引向错误的方向-尽管我确信有关循环大小和方向的观点很重要，但它可能最重要的是：

• 最小化SW节点的长度（您可以延伸一段相当的距离才能到达D1，将D1 / L1结直接移到IC的角落。

• 尽可能减小循环的大小。

我还会在输出上限中留出更多的余量-原理图规格为16v，但输出电压选择为15v。

我不是SMPS专家，但是过去我有过几次成功和失败的经历。

这是一个总的猜测，我没有看过芯片数据表，但C1似乎有点小。您是否尝试过将那个家伙提升到100uF左右？