电源开关及电阻电容 (RC) 缓冲器设计

1、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

2、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

3、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。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

4、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 100 pF 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。 现在，由於振铃频率与电路的电感和电容乘积的平方根成反比，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，