用于功率開關(guān)的電阻-電容(RC)緩沖電路設(shè)計(jì)

　　功率開關(guān)是所有功率轉(zhuǎn)換器的核心組件。功率開關(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)換器開關(guān)電路的性能，可在功率開關(guān)上部署緩沖器，抑制電壓尖峰，并減幅開關(guān)斷開時電路電感產(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)動器和電燈鎮(zhèn)流器中。圖1顯示四種基本的功率開關(guān)電路。在所有四種基本電路中——事實(shí)上在大部分功率開關(guān)電路中——藍(lán)線以內(nèi)表示的是同樣的開關(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中的簡化電路進(jìn)行開關(guān)瞬變時針對功率開關(guān)的開關(guān)性能分析。由于開關(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關(guān)波形同樣如圖2所示。

　　圖2 簡化的功率開關(guān)電路及其理想開關(guān)波形

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

　　圖3 MOSFET開關(guān)關(guān)斷瞬變時的電壓過沖

　　在實(shí)際電路中，開關(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，Cp包含開關(guān)輸出電容和雜散電容。Lp包含PCB路由寄生電感和MOSFET引線電感。這些來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，可在開關(guān)上部署一個典型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(給定開關(guān)頻率fs)：

　　當(dāng)這一簡單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)不再限制峰值電壓時，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，測量MOSFET開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)在關(guān)斷時的振鈴頻率(Fring)。在MOSFET上焊接一個100 pF低ESR薄膜電容。增加電容，直到振鈴頻率為初始測量值的一半?，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。現(xiàn)在，式通過下可獲得寄生電感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)緩沖器電阻值過低，可對其進(jìn)一步微調(diào)以降低振鈴。

　　Rsnub上的功耗(給定開關(guān)頻率fs)等于。