一文详解缓冲电路原理及设计

一、什么是缓冲器？

缓冲器是一种对电压尖峰、振铃和振荡效应的电路保护形式。缓冲器通过钳位电压尖峰但不改变振铃频率。

缓冲电路设计通常都比较复杂，设计一个好的缓冲电路需要对电路有很深入的了解，这篇文章就来详细介绍一下缓冲电路、缓冲电路设计、缓冲电路功耗计算。

二、缓冲器电路设计的一般分类

1、有损或者散耗缓冲电路

有损缓冲电路是一种消耗功率的电路，对于电源效率要求比较高的话，这就一个很大的缺点，但是容易设计。耗散缓冲器使用电阻，有时候也使用二极管作为耗散元件。

有损缓冲电路

2、无损或者非耗散缓冲电路

无损缓冲电路是一种理想状态下不会消散功率的电路，一般都来说比较复杂，价格也比较高，但是对于高效应用的话，这是首选。非耗散缓冲器使用电感和电容。

3、有损和无损缓冲器功率损耗比较

有损缓冲器损耗取决于缓冲器设备的选择，器件选择取决于要抑制的尖峰电压和振铃频率。对于大多数应用，耗散缓冲器损耗被最小化也能够接受，通过会用来快速设计。

无损缓冲器在理想状态下是无损的或者不会消耗功率，但实际上没有理想的电路，所以也会有小的损失。

三、缓冲电路设计

缓冲器电路设计通常集中在2种常用配置中。

1、RC缓冲电路设计

从名字本身来理解，就是用电阻和电容组成的缓冲电路，下面是开关MOSFET常用的缓冲器。

RC缓冲电路设计

下面为有部分采用RC缓冲电路设计的电路

1）升压转换器拓扑

升压转换器拓扑

2）降压转换器

降压转换器

3）DC-DC同步整流器

DC-DC同步整流器

2、RCD缓冲电路设计

也有人把这个称为RCD钳位，被叫做RCD钳位是因为RCD缓冲器会钳制电压尖峰，但不会改变尖峰或者振铃频率。

RCD缓冲器由电阻、电容和二极管组成。

RCD缓冲器

下面为使用RCD缓冲器设计的电路

1）反激式转换器

反激式转换器

2）正向转换器

正向转换器

3、RC缓冲器工作原理

RC缓冲器通常用于开关转换器，这样可以将设备上的电压尖峰限制在安全水平。

RC缓冲器

RC 缓冲器通过修改振铃频率以及降低电压尖峰电平来工作。电容用作电荷储存，电阻提供放电路径。

例如下面这个电路RC 缓冲器 R1 和 C1 保护 MOSFET Q1 不受漏极电压尖峰的影响。当 MOSFET 关闭时，缓冲电容将通过 R1 充电。

当 MOSFET 导通时，电容将通过 R1 放电到 MOSFET 和电路地。该循环将随着电容为空而重复。电阻是耗散功率的电阻，在单个开关周期中，有两次电流流向电阻。下图将电流称为充电和放电电流。

充电和放电电流。

实际上，RC缓冲器能够修改振铃频率，有助于解决EMI相关问题。在之前的设计中，在开关MOSFET和二极管上使用RC缓冲器解决了EMI的几个问题。

四、开关MOSFET中为什么会产生振铃和电压尖峰？

振铃和电压尖峰是由漏感和MOSFET输出电容的相互作用引起的。漏感会产生电压尖峰，漏感将存储能量，但是该能量不会传输到负载所需要的系统。

下图为中心抽头全桥整流中常见的同步整流器，这种电路结构在SMPS的DC-DC部分非常常见。

如下图，所需电感中的能量将转移到负载（输出侧），但是泄露能量没有地方可以去。

同步整流器

上图中的Q1和Q2不会同时工作。当 Q1 为 ON 时，Q2 为 OFF，反之亦然。可以通过仅采用如下所示的单个 MOSFET 来简化电路。

单个 MOSFET 来简化电路

VDD 电平理想情况下是输出电平加上尖峰电平的两倍。

五、缓冲电路计算

1、RC缓冲电路中的功率损耗

RC缓冲器中功率耗损主要是电阻。必须根据功率耗损和缓冲器有效地选择合适的电阻尺寸。电阻过高会降低功率损耗，就有可能无法提供有效的缓冲器。

如果较低的电阻可能提供有效的缓冲器，由于RC缓冲器较高的功率损耗，系统的效率会受到影响。

2、如何计算RC缓冲器电阻的功率损耗

在下面的电路中，Rsn 和 Csn 组成了 RC 缓冲器网络。当Q1导通时，缓冲电容上的电荷会通过Rsn放电。到 Q1 关断时，电容 Csn 将通过 Rsn 充电。因此，在单个开关周期内，电流将两次通过电阻。

RC缓冲器电流放电充电

用于分析的重要波形，电阻上的总RMS功耗取决于VRMS1 和 VRMS2。实际上，RMS1 波形位于负 y 轴上，因为它发生在电容放电时。由于要获得RMS值，就需要在正Y轴绘制波形。

波形图

V RMS1 – 电容放电时电阻电压波形的有效值

V RMS2 – 电容充电时电阻电压波形的有效值

V DRAIN – Q1 的漏极电压

VC SN – 缓冲电容电压

VR SN – 缓冲电阻电压

PWM – Q1 栅极上的脉冲宽度调制信号，用于将其打开和关闭

T——一个开关周期

Ton——Q1 开启或 PWM 为高电平的时间

5RC——简单的 5 个 tau 或 5 个时间常数

t1 – Q1 关断后电阻上的电压变为零的时间

在下面的推导中，曲线下的面积就认为是三角形为了方便积分，这样的话，计算的结果应该会比实际测试结果要高一点。下面为推导过程：

1）t1

当 Q1 关闭时，缓冲电容将充电并且其电压将呈指数上升，而缓冲电阻最初会看到非常高的电压但呈指数衰减，因此：

t1

VDS – Q1 漏极电压的稳态（无尖峰）

VDS MAX – 是峰值漏极电压（带尖峰）

2）VRMS1 _

V RMS1存在于从时间零到电容器的完全放电状态，这发生在 5 个时间常数。

VRMS1 _

VRMS1 _

VR SN_DIS – 放电期间电阻电压的峰值电平，相当于没有尖峰的漏极电压电平。

3）VRMS2 _

V RMS2从 Q1 关闭到 t1 一直存在。

VRMS2 _

VRMS2 _

VR SN_CHA – 充电期间电阻电压的峰值电平（带电压尖峰）

4）缓冲电阻的总 RMS 电压

缓冲电阻的总 RMS 电压

5）缓冲电阻功耗

缓冲电阻功耗

3、RC缓冲电路功率损耗示例

下面这个示例的特点是中心抽头变压器在每个变压器支路上都有一个同步整流器。Q1和Q2互补。（理想情况下占空比为50%，不考虑死区时间）

当 Q1 关闭时，由于 L1 和 L2 的匝数相同，漏极电压最初会出现高电压尖峰，然后稳定到 Vout 电平的两倍，在此期间 C1 将充电。

当Q1导通时，将为C1中的电荷通过R1放电提供接地路径。此时，R1 上的电压峰值正好是 Vout 的两倍加上 Q2 上的压降。

中心抽头变压器在每个变压器支路上都有一个同步整流器。

输出电压 = 24V

CSN = 1nF

RSN = 51Ω

Fsw = 110kHz（开关频率）

VDS MAX = 80V（测得的电压尖峰）

V SR_DROP = 0.2V（Q1 或 Q2 导通时的估计压降）

计算过程：

4、RC缓冲电路计算功率损耗的便捷方法

上面的解决方案很复杂，需要很高的技术知识，有一个可以使用的直接解决方案。如果在设计上有很大余量，也是够的，因为会产生更高的功耗。如果你想要更接近实际的结果，就需要使用之前的分析。

在这种方法中，电阻中的能量等于充电和放电状态下的电容。我更觉得是放电状态，因为很明显电容中的能量比电阻中的能量没有地方可以去，这里没有考虑MOSFETD对状态电阻的小阻尼效应。

在电容处于充电状态时，我不太同意。用这个方法，就假设电容充电和放电期间的能量时相同的，也就是电阻的能量。

电阻中的能量等于充电和放电状态下的电容

由于充放电过程的能量大小相同，所以只考虑其中一个来获取能量，这里考虑分析中的放电状态。

放电状态计算公式

考虑到 110 kHz 的开关频率和 80V 的最大漏极电压以及 1nF 的缓冲电容，电阻上产生的功耗为：

电阻上产生的功耗为

这种方法的结果高于以前的方法和实际或测量结果。复杂的方法（上面的方法）记录了0.545瓦，而这种简单方法的结果是0.704瓦。

六、RCD缓冲电路设计与分析

RCD缓冲器有时也称为RCD钳位，因为实际上钳位电压尖峰，RCD钳位充当低阻抗电压源。

RCD主要包含：R的电阻，二极管的CD电容。电阻将从存储的泄露能量中耗散功率，电容可以确保低纹波直流电源。二极管充当单向开关。下面用蓝色框框包围的电路是RCD缓冲器。

RCD缓冲器通常用于反激式转换器，因为要根据反激式设计RCD值。

RCD缓冲电路

如果要推导方程式，就必须要了解波形以及如何分析波形。这里是展示，如果不想记住推导的过程，直接使用推导出来的公式就可以了。

1、Rsn的推导

Rsn的推导

Rsn的推导

Rsn的推导

用Vclamp表示，表示漏极电压；

在上面的等式中，“OF”是“其他因素”的缩写。在前面的推导中，假设电流只会流向 RCD 钳位，并且二极管 Dsn 的正向恢复时间理想情况下为零。在实际设计中，部分电流可能流向漏极电容，二极管的正向恢复时间不为零。这样的话计算出的钳位电压小于实际值。为了弥补这一点，必须增加额外的保证，将 OF 设置为 20-30%。

2、Csn的推导

Csn的推导

Csn的推导

电容必须足够大，这样钳位电压才不会在一个开关周期内变化太大。

选择电容时候，将 Vremained 与 Vclamp 的比率设置为 50%。

意味着钳位网络的纹波电压是钳位电压的一半。电阻上的功耗可计算为：

PRsn = Vclamp 2 / Rsn

审核编辑：汤梓红