如何设计和使用缓冲器

SCD----Snubber

引言：一位朋友要求更一期Snubber的详细介绍，这个拖更好久了，今天就补上!切断电路中的电流时，电路中的杂散电感会导致电压急剧增加，缓冲器电路提供保护，以抑制这个浪涌电压，吸纳在关闭时发生的瞬态电压冲击，保护电源MOSFET及其附近的组件。一般来说，一个简单的RC缓冲器使用电阻R串联电容C，RC缓冲器与功率MOSFET并联连接。

开关电路中的关闭电流由于杂散电感和自电感导致电压急剧增加，因此缓冲器可以用于降低DC-DC转换器中电压峰值和振铃(传送门：DC-DC-20：如何设计缓冲电路去除DC-DC的开关节点噪声)，为了降低电压的升高，最重要的是降低导线的杂散电感。

1.MOS的振荡效应

功率MOSFET比双极晶体管更容易发生寄生振荡，因为MOSFET在高频域具有高增益的优点，从而导致寄生振荡。当栅漏耦合电容Crss和寄生线电容Cs引起输入端的负阻抗变化时，功率MOSFET进入寄生振荡，一般可采用几种措施防止寄生振荡：

图20-1：MOS的开关振荡

1：使用粗短线，或使用双绞线，以防止两根线之间的耦合。

2：尽可能靠近闸门端插入铁氧体珠(现在这种设计比较少见，一个是MOS工艺进步，一个是成本考量，更多使用3#)

3：在栅极插入一个串联电阻--->Rgate。

2.RC缓冲器

RC缓冲器或者叫RC抑制器，可用于抑制由降压DC-DC转换器开关产生的电压尖峰和高频振铃，这里再回顾一下降压转换器的运行及电压尖峰和振铃产生的机理。图20-2显示了一个基本的降压转换器电路，其工作流程如下(传送门：DC-DC-2：降压型的工作原理)：

图20-2：降压DC-DC工作图

步骤1：Q1开启时，通过电感L给输出电容器Cout充电。

步骤2：当Q1关闭时，反向电动势产生的电流通过Q2的体二极管流过L--->Cout--->Q2。(这段时间是Q1和Q2都关闭的死区时间)

步骤3：Q2接通，电流流过L、Cout和Q2(从源极到漏极)，此时Q2作为同步整流器运行。

步骤4：Q2关闭，反向电动势导致电流流过其体二极管。

步骤5：Q1接通，导致电流流向电感L，反向恢复电流流过Q2的本体二极管。

在通过Q2的体二极管的电流消失后，降压转换器再次通过步骤1到步骤5循环，降压转换器的输出电压Vout由其输入电压Vin和Q1的占空比决定。

电压峰值和铃声

在步骤5中，寄生电感和电容形成一个谐振电路，引起瞬态电压尖峰和振铃。当在步骤5中Q1过渡到打开状态，而Q2过渡到关闭状态时，Cin显示出非常大的电容，导致它们短路，而L也非常大，可以被认为是开路，此时图20-2中的降压转换器可以被建模为一个如图20-3所示的等效电路。

图20-3：Q1开机后立即进行降压开关转换器的等效电路

寄生电容CP的主要来源是Q2的COSS，而寄生电感(L1、L2、LD和LS)的来源是导线、Q1和Q2。设这些电感的和为LP，然后CP、LP和Rs形成一个LCR系列谐振电路。Rs主要由Cin的等效串联电阻ESR和Q1的开启电阻组成，其值很小可以忽略不计。因此电压峰值和振铃可以定义为CP(Q2的COSS)和LP(导线电感)之间的谐振。

3.使用RC缓冲器的电压峰值和振铃抑制

如上描述，在开关MOS接通时，会在降压转换器中产生电压峰值和振铃，而使用缓冲器是用于保护瞬态电压的措施之一。缓冲器是一种保护电路，它抑制电流关闭时产生的瞬态电压，还抑制晶体管和二极管开关引起的电压峰值。缓冲器不仅可以保护开关设备，还可以保护其他电子部件，降低开关噪声。

图20-4和图20-5是一个带有缓冲器的降压转换器的简化图，当RC缓冲器抑制由开关产生的电压尖峰和振铃时，缓冲器电阻RSNB在缓冲器电容CSNB的充放电期间将尖峰和振铃转变为功率消耗掉，因此有必要在选择RSNB和CSNB时，考虑到它们的电压峰值和振铃抑制效应以及RSNB的功率损失之间的权衡。

图20-4：RC Snubber的充能路径

图20-5：RC Snubber的释能路径

相关的实例计算可以回看：DC-DC-20：如何设计缓冲电路去除DC-DC的开关节点噪声，这里不再赘述。

4.一般电源切断缓冲器

浪涌电压是由一个电路的杂散电感产生的，缓冲器应与开关器件并联连接，以吸收浪涌电压。有两种类型的缓冲器：一种是在每个开关器件上添加，另一种是在电源总线上添加的集中式缓冲器。

在每个开关器件添加缓冲器A.RC缓冲电路

1：理想的斩波电路

2：由于RC缓冲器电阻造成的功率损失非常大，所以RC缓冲器不适用于高频开关应用。

3：用于高电容开关装置的RC缓冲器需要有一个小阻值的电阻器，这将导致在接通期间漏极电流增加。

缓冲电阻耗散的功率P计算如下：

图20-6：干路电源分立式开关使用RC缓冲器

图20-7：实际设计案例

图20-7是一个使用实例，来自于域控制器的24V输入电源入口路径处，C305和R797构成一组RC
Snubber，其中R797同时兼具钳位作用。

B.RDC充放电缓冲器

1：将二极管添加到RC缓冲器中，以增加缓冲器的阻力，这使得可以消除在导通期间由开关器件共享的电流。

2：缓冲电阻器耗散的大功率使RDC缓冲电阻器不适合高频应用。

缓冲电阻耗散的功率计算如下：

图20-8：RCD放电缓冲器

C.放电抑制RCD缓冲器

1：抑制关闭时产生的关闭浪涌电压。

2：较低的功耗非常适合理想的高频开关应用场景。

3：被缓冲器所消耗的能量很小。缓冲电阻耗散的功率P计算如下：

图20-9：放电-抑制RCD缓冲器

因为直流电源电压Ed和浪涌电压之间的差异，在某些情况下，该电路可能无法提供足够的浪涌吸收性能，关键在于二极管的参数。(L：主电路的损耗电感;Io：设备关闭时的排放电流;Cs：缓冲电容的电容;Ed：直流电源电压;f：开关频率)

5.电源干线集成缓冲器

如图20-10也有简化的缓冲器设计。

C型减振器

虽然C型减振器是最简单的，但由于主电路杂散电感与阻电容之间的LC共振，导致它们容易发生电压振荡。

RCD缓冲器

RCD缓冲器需要注意选择缓冲二极管，因为它可能会在反向恢复过程中导致高电压尖峰和电压振荡。

图20-10：左--->C型缓冲器;右--->RDC缓冲器

6.创建缓冲器设计(抑制放电的RCD缓冲器)

图20-11显示了一个缓冲器电路，图20-12显示了其波形。

图20-11：缓冲器电路

图20-12：缓冲器波形

在波形中所示的电压和电路常数可以计算如下，其中Vdsp1是由缓冲器的电感Ls产生的电压，其计算方法如下：

尽量将二极管d的正向电压Vfr最小化，然后减少可能引起电压激增的Ls都可以有效降低Vdsp1。VCEP2是当主电路的杂散电感LM的能量过充时，缓冲电容Cs之间的峰值电压，由于存储在LM中的能量被转移到Cs中，所以它们的能量是相等的。因此以下公式成立：

根据这个公式，C的值的计算方法如下：

考虑到MOSFET的耐受电压，有必要确定Vdsp2的值。缓冲电阻Rs值的选择，缓冲电阻Rs的作用是在MOSFET开始其下一次开启操作之前，放电存储在缓冲电容器中的电荷。设放电时间常数为τ，则：

其中，τ为电压降至存储电压的37%所需的时间(传送门：SCD-19：RC时间常数的计算和使用要点)，电压下降至10%(即电容器放电存储的90%的电荷)所需的时间为2.3τ，如图20-13所示：

图20-13：时间常量与放电量的对比关系

电容器必须在下一次关闭操作之前放电，因此必须满足下面的方程式，由这个方程可知，Rs可以计算出如下：

如果缓冲器电阻值过低，缓冲器可能会出现电流振荡，因此必须使用一个阻值在合理范围内尽可能高的电阻器。