電源開關的阻容吸收器設計

電源開關是每一種電源轉換器的核心元件。這些元件的工作性能筆直決定產品的可靠性和能效。為加強電源轉換器的開關電路性能，吸收器橫跨電源開關，以抑制電壓尖刺以及衰減電路電感在開關打開時造成的瞬時振蕩。正確的吸收器設計會提升可靠性和能效并減弱EMI。在許多不同的吸收器中，最常見的吸收器是阻容(RC)吸收器。本文將說明為什么電源開關需要吸收器。此外，還將給出關于最佳吸收器設計的一些實用小竅門。

圖1：電源開關的四種基本電路。

在電源轉換器、電機驅動器和燈泡鎮流器中會用到許多不同的拓撲結構。圖1所示為電源開關的四種基本電路。如圖中藍色線框所示，這四種基本電路以及大多數電源開關電路都采用了開關-二極管-電感器網絡。這種網絡在所有這些電路中的特性均相同。所以，圖2中的簡化電路可用于分解電源開關在開關瞬變期間的開關性能。既然電感器中的電流在開關瞬變期間幾乎不變，那么如圖所示，這個電感器就可用電流源替代。圖2所示為理想的電壓和電流開關波形。

圖2：簡化電源開關電路及其理想開關波形。

當MOSFET開關關斷時，其自身電壓升高。然而，電流IL將持續通過MOSFET，直到開關電壓升至Vol。一旦二極管導通，IL就開始降低。當MOSFET開關導通時，情況剛好相反，如圖所示。這種開關方式稱作硬開關。在開關瞬變期間，電路非得能同時承受最高電壓和最大電流。因此，這種硬開關方式會使MOSFET開關筆直承受高電氣應力。

圖3：MOSFET開關關斷瞬變電壓過沖。

實際電路中，寄生電感(Lp)、電容(Cp)會萌生非常高的開關應力，如圖4所示。Cp包括開關的輸出電容、PCB布局和安裝時萌生的雜散電容。Lp包括PCB線路的寄生電感和MOSFET的引線電感。這些來自功率器件的寄生電感、電容形成一個濾波器，并在關斷瞬變剛剛結束時形成諧振，所以會在器件上重疊過高的電壓瞬時振蕩，如圖3所示。為抑制這種峰值電壓，可在開關上并聯一個RC吸收器，如圖4所示。電阻值非得接近希望衰減的寄生諧振的阻抗值。吸收器電容非得大于諧振電路電容，但又非得足夠小，以便最大程度地減小電阻器功率耗散。

圖4：阻容吸收器配置。

如果功率耗散非關鍵指標，則可采用一種快捷的RC吸收器設計辦法。按照經驗，吸收器電容器Csnub應兩倍于開關輸出電容與預計安裝電容之和。吸收器電阻器Rsnub則應滿足。電阻Rsnub在給定開關頻率(fs)下的功率耗散可按照下式估算：

當這種簡單的經驗設計不能充足限制峰值電壓時，就需采取優化措施。

經過優化的RC吸收器：在功率耗散是關鍵指標的情況下應采用一種更優的辦法。首先，測量MOSFET開關關斷時在其節點(SW)處的瞬時振蕩頻率(Fring)。在MOSFET兩端焊接一個薄膜型100pF、低ESR電容器。增大電容值，直至瞬時振蕩頻率為原始測量值的一半。今朝，開關的總輸出電容（增加的電容和原有寄生電容之和）增大到原來的四倍，而瞬時振蕩頻率則與電路的電感電容之積的平方根成反比例。所以，寄生電容Cp是外加電容器電容值的三分之一。今朝，寄生電感Lp可利用下式求出：

只要求出寄生電感Lp和寄生電容Cp，就可依據以下計算公式確定吸收器的電阻器Rsnub和電容器Csnub。

如發現吸收器電阻器不夠大，則可以進行微調，進一步減少瞬時振蕩。

電阻器Rsnub在給定開關頻率(fs)下的功率耗散為。

利用所有這些求出的值即可完成電源開關吸收器設計，然后就可以在使用中實現。

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