3 根本原因分析

图 2-3 中所示的电压尖峰是输出电容器的 ESR（等效串联电阻）和 ESL（等效串联电感）导致的。图 3-1 展示了 0805 封装陶瓷电容器的阻抗随频率变化的情况。A 点是 ESL 和电容器的谐振频率。

电容器的阻抗等于其 ESR，大概为 3.5 mΩ。在频率超过 10 MHz 后，电容器的阻抗会以线性方式增加。这是 ESL 的行为。根据 B 点和 C 点的阻抗，ESL预计为 0.27nH。

ESR 上的电压与流过电容器的电流成比例。一个陶瓷电容器仅具有几毫欧的电阻，而这里通常会并联多个陶瓷电容器。因此，这个由 ESR 导致的电压纹波很小，可以忽略不计。

ESL 上的电压与其 di/dt 成比例，会很大。因为升压转换器的开关频率总会倾向于尽可能大，以便减小解决方案尺寸。di/dt 也将随着开关频率而增加，以减少 IC 上的功率损耗。

考虑到 PCB 布线和 IC 封装的 ESL 和寄生电感，升压转换器功率级的原理图如图 3-2 中所示，其中 L_PAR1 是引脚排列寄生电感和 PCB 寄生电感的总和，而 L_PAR2 是 GND 引脚的寄生电感。

当 Q₁ 关断且 SW 节点电压大于 V_OUT 时，电感器电流开始从 Q₁ 流向 Q₂。电流转换期间的等效电路如图 3-3 所示，其中：

• C_Q1 表示 Q₁ 的寄生电容。Q₁ 的关断时间可以忽略。
• I_L1 表示电感，因为电感电流在较短的转换期间内几乎保持恒定。
• V_COUT 表示输出电容器理想电容部分的电压。该电压在此转换期间内几乎保持恒定。

图 3-3 可以进一步简化为具有初始电感电流 I_L1 的 LC 电路。电感值是电路中的所有寄生电感之和。电容为 C_Q1。因此，ESL 的电压尖峰可以通过Equation2 得出。电压尖峰与电感电流成比例。

Equation2.

振荡频率可以通过Equation3 得出。

Equation3.

当 Q₁ 导通时，电感电流首先从 Q₂ 流向 Q₁，然后电压 Q₁ 快速降至零。此期间的简化版原理图如图 10 所示，其中 C_Q2 表示 Q₂ 在关断时的寄生电容。

ESL 处的最大电压尖峰可以通过Equation4 得出。该电路还可简化为 LC 电路。V_ESL 电压电平与升压输出电压成比例，而振荡频率与Equation3 中的相同，因为 C_Q2 与 C_Q1 类似。

Equation4.

以 TPS61022EVM 为例，C_Q1 和 C_Q2 约为 0.4nF。L_PAR1 接近 0.3 nH；L_PAR2 约为 0.05nH；ESL 约为 0.09nF，因为这里存在三个并联的电容器。因此，LC 振荡频率高达 300 MHz。

当 VIN=3.6V、VOUT=5V 且 IOUT=3A 时，I_L1 约为 4.4A。Q₁ 导通和关断条件下的 V_ESL 尖峰都约为 0.75V。不过，图 2-3 中的实际电压尖峰会小于该计算结果，尤其是在 Q₁ 导通条件下。导致该差异出现的主要因素是 Q₁ 的导通/关断时间。Q₁ 的导通/关断时间为 5 ns。这会显著影响 300 MHz LC 振铃导致的电压尖峰。如果考虑导通/关断时间，那么很难通过公式来计算电压尖峰。更好的方法是使用 PSPICE-FOR-TI 或其他工具进行仿真。