用于功率開(kāi)關(guān)的電阻-電容（RC）緩沖電路設(shè)計(jì)

功率開(kāi)關(guān)是所有功率轉(zhuǎn)換器的核心組件。功率開(kāi)關(guān)的工作性能直接決定了產(chǎn)品的可靠性和效率。若要提升功率轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電路的性能，可在功率開(kāi)關(guān)上部署緩沖器，抑制電壓尖峰，并減幅開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電路電感產(chǎn)生的振鈴。正確設(shè)計(jì)緩沖器可提升可靠性和效率，并降低EMI。在各種不同類(lèi)型的緩沖器中，電阻電容(RC)緩沖器是最受歡迎的緩沖器電路。本文介紹功率開(kāi)關(guān)為何需要使用緩沖器。此外還提供一些實(shí)用小技巧，助您實(shí)現(xiàn)最優(yōu)緩沖器設(shè)計(jì)。

圖1： 四種基本的功率開(kāi)關(guān)電路

有多種不同的拓?fù)溆糜诠β兽D(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電燈鎮(zhèn)流器中。圖1顯示四種基本的功率開(kāi)關(guān)電路。在所有四種基本電路中——事實(shí)上在大部分功率開(kāi)關(guān)電路中——藍(lán)線(xiàn)以?xún)?nèi)表示的是同樣的開(kāi)關(guān)二極管電感網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在所有這些電路中均具有相同的特性。因此，可利用圖2中的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)瞬變時(shí)針對(duì)功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)性能分析。由于開(kāi)關(guān)瞬變期間，電感電流幾乎不變，因此采用電流源代替電感，如圖所示。該電路的理想電壓和電流開(kāi)關(guān)波形同樣如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的功率開(kāi)關(guān)電路及其理想開(kāi)關(guān)波形

MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，它兩端的電壓將上升。然而，電流IL將繼續(xù)流過(guò)MOSFET，直到開(kāi)關(guān)電壓到達(dá)Vol。二極管導(dǎo)通后，電流IL開(kāi)始下降。MOSFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，情況相反，如圖所示。這類(lèi)開(kāi)關(guān)稱(chēng)為“硬開(kāi)關(guān)”。開(kāi)關(guān)瞬變期間，必須同時(shí)支持最大電壓和最大電流。因此，這種“硬開(kāi)關(guān)”會(huì)使MOSFET開(kāi)關(guān)承受高電壓應(yīng)力。

圖3 MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷瞬變時(shí)的電壓過(guò)沖

在實(shí)際電路中，開(kāi)關(guān)應(yīng)力要高得多，因?yàn)榇嬖诩纳姼?Lp)和寄生電容(Cp)，如圖4所示。由于PCB布局與走線(xiàn)，Cp包含開(kāi)關(guān)輸出電容和雜散電容。Lp包含PCB路由寄生電感和MOSFET引線(xiàn)電感。這些來(lái)自功率器件的寄生電感和電容組成濾波器，并在關(guān)斷瞬變發(fā)生后立即產(chǎn)生諧振，從而將過(guò)量電壓振鈴疊加到器件上，如圖3所示。若要抑制峰值電壓，可在開(kāi)關(guān)上部署一個(gè)典型RC緩沖器，如圖4所示。電阻值必須接近需減幅的寄生諧振阻抗值。緩沖器電容必須大于諧振電路電容，同時(shí)又必須足夠小，以便將電阻功耗保持在最低水平。

圖4： 電阻電容緩沖器配置

如果功耗并非關(guān)鍵因素，那么有一種方法可以快速設(shè)計(jì)RC緩沖器。由經(jīng)驗(yàn)可知，選擇緩沖器電容Csnub，使其等于開(kāi)關(guān)輸出電容值與安裝電容估算值之和的兩倍。選擇緩沖器電阻Rsnub ，所以：

Rsnub上的功耗可估算如下(給定開(kāi)關(guān)頻率fs)：

當(dāng)這一簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)不再限制峰值電壓時(shí)，便可執(zhí)行優(yōu)化步驟。

優(yōu)化RC緩沖器： 在那些功率損耗很重要的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先，測(cè)量MOSFET開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)在關(guān)斷時(shí)的振鈴頻率(Fring)。在MOSFET上焊接一個(gè)100 pF低ESR薄膜電容。增加電容，直到振鈴頻率為初始測(cè)量值的一半?，F(xiàn)在，由于振鈴頻率與電路電感和電容乘積的平方根成反比，開(kāi)關(guān)總輸出電容(增加的電容與初始寄生電容之和)增加四倍。因此，寄生電容Cp為外部所增加電容值的1/3?，F(xiàn)在，式通過(guò)下可獲得寄生電感Lp：

一旦求出寄生電感Lp和寄生電容Cp，緩沖器電阻Rsnub和電容Csnub便可根據(jù)下列計(jì)算進(jìn)行選擇。

如果發(fā)現(xiàn)緩沖器電阻值過(guò)低，可對(duì)其進(jìn)一步微調(diào)以降低振鈴。

Rsnub上的功耗(給定開(kāi)關(guān)頻率fs)等于。