电源开关及电阻电容 (rc) 缓冲器设计

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1、集合在线——全球首个电子元器件团购平台电源开关的电阻电容(RC)缓冲器设计电源开关是每个电源转换器的核心，其运作状况会直接决定产品的可靠度与效率。为了增强电源转换器切换电路的效能，电源开关上设有缓冲器，以抑制电压尖波，并且降低开关开启时电路电感所产生的振铃。正确设计缓冲器能提高可靠度、效率并且降低EMI。在众多类型缓冲器中，电阻电容(RC)缓冲器是最常用的缓冲器电路。本文说明电源开关为何需要缓冲器，并且会提供如何达到最佳化缓冲器设计的实用诀窍。　　　　四种基本电源切换电路的图片　　图1：四种基本的电源切换电路。　　电源转换器、马

2、达驱动器和电灯安定器使用的拓扑有相当多种。图1指出四种基本的电源切换电路。在这四种基本电路以及绝大多数的电源切换电路中，都有相同的开关、二极体、电感组成的网路，位於图中蓝色框线中。此网路的特性在所有这些电路中都相同。因此，即可使用如图2所示的简化电路，针对切换暂态期间的电源开关进行切换效能分析。由於电感中的电流在切换暂态期间几乎不会改变，因此采用电流源取代电感，如图中所示。此电路的理想电压和电流切换波形如图2所示。　　　　简化的电源切换电路图片　　　　图2：简化的电源切换电路及其理想的切换波形。MOSFET开关关闭时，其电压会上

3、升。但电流IL会继续流通MOSFET，直到电源电压达到Vol为止。二极体导通後，电流IL就会开始下降。MOSFET开关导通时，情况则会相反，如图所示。此类型切换称为「硬切换」。在切换暂态期间，必须同时支援最大电压和最大电流。因此在「硬切换」下，MOSFET会暴露在高应力中。　　集合在线——全球首个电子元器件团购平台　　MOSFET开关关闭暂态下的电压过冲示意图　　图3：MOSFET开关关闭暂态下的电压过冲示意图。在实际电路中，因为有寄生电感(Lp)和寄生电容(Cp)所以切换应力会更高，如图4所示。由於PCB布局和安装，Cp包含开

4、关的输出电容和杂散电容。Lp含有PCB布线的寄生电感和MOSFET引线电感。来自电源元件的寄生电感和电容会形成滤波器，在发生关闭暂态後立即产生共振，因此会将过多电压振铃叠加到元件上，如图3所示。为了抑制峰值电压，会在开关上采用典型RC缓冲器，如图4所示。电阻值必须接近需减幅的寄生共振阻抗值。缓冲器电容必须大於共振电路的电容，但也必须低至能将电阻的功率耗散维持在最小的程度。　　　　电阻电容缓冲器的配置图　　　　图4：电阻电容缓冲器的配置图。　　有一个快速的RC缓冲器设计方法，可用於较不注重功率耗散的应用。凭过往经验，选择等於开关输

5、出电容加上预估安装电容之总和两倍的缓冲器电容Csnub。选择缓冲器电阻Rsnub，使得：Rsnub在指定切换频率(fs)下的功率耗散可依此估计：　　若此简易且实际的设计不会明显限制峰值电压，即可套用最佳化程序。　　RC缓冲器最佳化：在注重功率耗散的情况下，则需使用更显着最佳化的设计方式。首先需测量MOSFET开关节点(SW)在关闭时的振铃频率(Fring)。在MOSFET上焊接100pF低ESR薄膜电容。提高电容，直到振铃频率达到初始测量值的一半。集合在线——全球首个电子元器件团购平台现在，由於振铃频率与电路的电感和电容乘积的平

6、方根成反比，开关的输出电容总值（增加的电容加上原本的寄生电容）增加四倍。因此寄生电容Cp则为外部附加电容值的三分之一。现在，即可使用下列方程式求得寄生电感Lp：　　求得寄生电感Lp和寄生电容量Cp後，即可依据下列计算方式选择缓冲器电阻Rsnub和电容Csunb。　若有需要，可进一步微调缓冲器电阻以降低振铃。　Rsunb在指定切换频率(fs)下的功率耗散为。　　透过这些计算值，即可完成电源供应器开关缓冲器的设计，并在应用中实施。本文引用自集合在线前沿论坛http://bbs.jhbom.com/showtopic-94.aspx