如何設(shè)計(jì)和使用緩沖器

SCD----Snubber

引言：一位朋友要求更一期Snubber的詳細(xì)介紹，這個(gè)拖更好久了，今天就補(bǔ)上!切斷電路中的電流時(shí)，電路中的雜散電感會(huì)導(dǎo)致電壓急劇增加，緩沖器電路提供保護(hù)，以抑制這個(gè)浪涌電壓，吸納在關(guān)閉時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)電壓沖擊，保護(hù)電源MOSFET及其附近的組件。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)簡(jiǎn)單的RC緩沖器使用電阻R串聯(lián)電容C，RC緩沖器與功率MOSFET并聯(lián)連接。

開(kāi)關(guān)電路中的關(guān)閉電流由于雜散電感和自電感導(dǎo)致電壓急劇增加，因此緩沖器可以用于降低DC-DC轉(zhuǎn)換器中電壓峰值和振鈴(傳送門：DC-DC-20：如何設(shè)計(jì)緩沖電路去除DC-DC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲)，為了降低電壓的升高，最重要的是降低導(dǎo)線的雜散電感。

1.MOS的振蕩效應(yīng)

功率MOSFET比雙極晶體管更容易發(fā)生寄生振蕩，因?yàn)镸OSFET在高頻域具有高增益的優(yōu)點(diǎn)，從而導(dǎo)致寄生振蕩。當(dāng)柵漏耦合電容Crss和寄生線電容Cs引起輸入端的負(fù)阻抗變化時(shí)，功率MOSFET進(jìn)入寄生振蕩，一般可采用幾種措施防止寄生振蕩：

圖20-1：MOS的開(kāi)關(guān)振蕩

1：使用粗短線，或使用雙絞線，以防止兩根線之間的耦合。

2：盡可能靠近閘門端插入鐵氧體珠(現(xiàn)在這種設(shè)計(jì)比較少見(jiàn)，一個(gè)是MOS工藝進(jìn)步，一個(gè)是成本考量，更多使用3#)

3：在柵極插入一個(gè)串聯(lián)電阻--->Rgate。

2.RC緩沖器

RC緩沖器或者叫RC抑制器，可用于抑制由降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰和高頻振鈴，這里再回顧一下降壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行及電壓尖峰和振鈴產(chǎn)生的機(jī)理。圖20-2顯示了一個(gè)基本的降壓轉(zhuǎn)換器電路，其工作流程如下(傳送門：DC-DC-2：降壓型的工作原理)：

圖20-2：降壓DC-DC工作圖

步驟1：Q1開(kāi)啟時(shí)，通過(guò)電感L給輸出電容器Cout充電。

步驟2：當(dāng)Q1關(guān)閉時(shí)，反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流通過(guò)Q2的體二極管流過(guò)L--->Cout--->Q2。(這段時(shí)間是Q1和Q2都關(guān)閉的死區(qū)時(shí)間)

步驟3：Q2接通，電流流過(guò)L、Cout和Q2(從源極到漏極)，此時(shí)Q2作為同步整流器運(yùn)行。

步驟4：Q2關(guān)閉，反向電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致電流流過(guò)其體二極管。

步驟5：Q1接通，導(dǎo)致電流流向電感L，反向恢復(fù)電流流過(guò)Q2的本體二極管。

在通過(guò)Q2的體二極管的電流消失后，降壓轉(zhuǎn)換器再次通過(guò)步驟1到步驟5循環(huán)，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout由其輸入電壓Vin和Q1的占空比決定。

電壓峰值和鈴聲

在步驟5中，寄生電感和電容形成一個(gè)諧振電路，引起瞬態(tài)電壓尖峰和振鈴。當(dāng)在步驟5中Q1過(guò)渡到打開(kāi)狀態(tài)，而Q2過(guò)渡到關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，Cin顯示出非常大的電容，導(dǎo)致它們短路，而L也非常大，可以被認(rèn)為是開(kāi)路，此時(shí)圖20-2中的降壓轉(zhuǎn)換器可以被建模為一個(gè)如圖20-3所示的等效電路。

圖20-3：Q1開(kāi)機(jī)后立即進(jìn)行降壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的等效電路

寄生電容CP的主要來(lái)源是Q2的COSS，而寄生電感(L1、L2、LD和LS)的來(lái)源是導(dǎo)線、Q1和Q2。設(shè)這些電感的和為L(zhǎng)P，然后CP、LP和Rs形成一個(gè)LCR系列諧振電路。Rs主要由Cin的等效串聯(lián)電阻ESR和Q1的開(kāi)啟電阻組成，其值很小可以忽略不計(jì)。因此電壓峰值和振鈴可以定義為CP(Q2的COSS)和LP(導(dǎo)線電感)之間的諧振。

3.使用RC緩沖器的電壓峰值和振鈴抑制

如上描述，在開(kāi)關(guān)MOS接通時(shí)，會(huì)在降壓轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生電壓峰值和振鈴，而使用緩沖器是用于保護(hù)瞬態(tài)電壓的措施之一。緩沖器是一種保護(hù)電路，它抑制電流關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，還抑制晶體管和二極管開(kāi)關(guān)引起的電壓峰值。緩沖器不僅可以保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備，還可以保護(hù)其他電子部件，降低開(kāi)關(guān)噪聲。

圖20-4和圖20-5是一個(gè)帶有緩沖器的降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化圖，當(dāng)RC緩沖器抑制由開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰和振鈴時(shí)，緩沖器電阻RSNB在緩沖器電容CSNB的充放電期間將尖峰和振鈴轉(zhuǎn)變?yōu)楣β氏牡簦虼擞斜匾谶x擇RSNB和CSNB時(shí)，考慮到它們的電壓峰值和振鈴抑制效應(yīng)以及RSNB的功率損失之間的權(quán)衡。

圖20-4：RC Snubber的充能路徑

圖20-5：RC Snubber的釋能路徑

相關(guān)的實(shí)例計(jì)算可以回看：DC-DC-20：如何設(shè)計(jì)緩沖電路去除DC-DC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲，這里不再贅述。

4.一般電源切斷緩沖器

浪涌電壓是由一個(gè)電路的雜散電感產(chǎn)生的，緩沖器應(yīng)與開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)連接，以吸收浪涌電壓。有兩種類型的緩沖器：一種是在每個(gè)開(kāi)關(guān)器件上添加，另一種是在電源總線上添加的集中式緩沖器。

在每個(gè)開(kāi)關(guān)器件添加緩沖器A.RC緩沖電路

1：理想的斬波電路

2：由于RC緩沖器電阻造成的功率損失非常大，所以RC緩沖器不適用于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

3：用于高電容開(kāi)關(guān)裝置的RC緩沖器需要有一個(gè)小阻值的電阻器，這將導(dǎo)致在接通期間漏極電流增加。

緩沖電阻耗散的功率P計(jì)算如下：

圖20-6：干路電源分立式開(kāi)關(guān)使用RC緩沖器

圖20-7：實(shí)際設(shè)計(jì)案例

圖20-7是一個(gè)使用實(shí)例，來(lái)自于域控制器的24V輸入電源入口路徑處，C305和R797構(gòu)成一組RC
Snubber，其中R797同時(shí)兼具鉗位作用。

B.RDC充放電緩沖器

1：將二極管添加到RC緩沖器中，以增加緩沖器的阻力，這使得可以消除在導(dǎo)通期間由開(kāi)關(guān)器件共享的電流。

2：緩沖電阻器耗散的大功率使RDC緩沖電阻器不適合高頻應(yīng)用。

緩沖電阻耗散的功率計(jì)算如下：

圖20-8：RCD放電緩沖器

C.放電抑制RCD緩沖器

1：抑制關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的關(guān)閉浪涌電壓。

2：較低的功耗非常適合理想的高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景。

3：被緩沖器所消耗的能量很小。緩沖電阻耗散的功率P計(jì)算如下：

圖20-9：放電-抑制RCD緩沖器

因?yàn)橹绷麟娫措妷篍d和浪涌電壓之間的差異，在某些情況下，該電路可能無(wú)法提供足夠的浪涌吸收性能，關(guān)鍵在于二極管的參數(shù)。(L：主電路的損耗電感;Io：設(shè)備關(guān)閉時(shí)的排放電流;Cs：緩沖電容的電容;Ed：直流電源電壓;f：開(kāi)關(guān)頻率)

5.電源干線集成緩沖器

如圖20-10也有簡(jiǎn)化的緩沖器設(shè)計(jì)。

C型減振器

雖然C型減振器是最簡(jiǎn)單的，但由于主電路雜散電感與阻電容之間的LC共振，導(dǎo)致它們?nèi)菀装l(fā)生電壓振蕩。

RCD緩沖器

RCD緩沖器需要注意選擇緩沖二極管，因?yàn)樗赡軙?huì)在反向恢復(fù)過(guò)程中導(dǎo)致高電壓尖峰和電壓振蕩。

圖20-10：左--->C型緩沖器;右--->RDC緩沖器

6.創(chuàng)建緩沖器設(shè)計(jì)(抑制放電的RCD緩沖器)

圖20-11顯示了一個(gè)緩沖器電路，圖20-12顯示了其波形。

圖20-11：緩沖器電路

圖20-12：緩沖器波形

在波形中所示的電壓和電路常數(shù)可以計(jì)算如下，其中Vdsp1是由緩沖器的電感Ls產(chǎn)生的電壓，其計(jì)算方法如下：

盡量將二極管d的正向電壓Vfr最小化，然后減少可能引起電壓激增的Ls都可以有效降低Vdsp1。VCEP2是當(dāng)主電路的雜散電感LM的能量過(guò)充時(shí)，緩沖電容Cs之間的峰值電壓，由于存儲(chǔ)在LM中的能量被轉(zhuǎn)移到Cs中，所以它們的能量是相等的。因此以下公式成立：

根據(jù)這個(gè)公式，C的值的計(jì)算方法如下：

考慮到MOSFET的耐受電壓，有必要確定Vdsp2的值。緩沖電阻Rs值的選擇，緩沖電阻Rs的作用是在MOSFET開(kāi)始其下一次開(kāi)啟操作之前，放電存儲(chǔ)在緩沖電容器中的電荷。設(shè)放電時(shí)間常數(shù)為τ，則：

其中，τ為電壓降至存儲(chǔ)電壓的37%所需的時(shí)間(傳送門：SCD-19：RC時(shí)間常數(shù)的計(jì)算和使用要點(diǎn))，電壓下降至10%(即電容器放電存儲(chǔ)的90%的電荷)所需的時(shí)間為2.3τ，如圖20-13所示：

圖20-13：時(shí)間常量與放電量的對(duì)比關(guān)系

電容器必須在下一次關(guān)閉操作之前放電，因此必須滿足下面的方程式，由這個(gè)方程可知，Rs可以計(jì)算出如下：

如果緩沖器電阻值過(guò)低，緩沖器可能會(huì)出現(xiàn)電流振蕩，因此必須使用一個(gè)阻值在合理范圍內(nèi)盡可能高的電阻器。