SCD----Snubber

引言：一位朋友要求更一期Snubber的詳細介紹，這個拖更好久了，今天就補上!切斷電路中的電流時，電路中的雜散電感會導致電壓急劇增加，緩沖器電路提供保護，以抑制這個浪涌電壓，吸納在關閉時發生的瞬態電壓沖擊，保護電源MOSFET及其附近的組件。一般來說，一個簡單的RC緩沖器使用電阻R串聯電容C，RC緩沖器與功率MOSFET并聯連接。

開關電路中的關閉電流由于雜散電感和自電感導致電壓急劇增加，因此緩沖器可以用于降低DC-DC轉換器中電壓峰值和振鈴(傳送門：DC-DC-20：如何設計緩沖電路去除DC-DC的開關節點噪聲)，為了降低電壓的升高，最重要的是降低導線的雜散電感。

1.MOS的振蕩效應

功率MOSFET比雙極晶體管更容易發生寄生振蕩，因為MOSFET在高頻域具有高增益的優點，從而導致寄生振蕩。當柵漏耦合電容Crss和寄生線電容Cs引起輸入端的負阻抗變化時，功率MOSFET進入寄生振蕩，一般可采用幾種措施防止寄生振蕩：

圖20-1：MOS的開關振蕩

1：使用粗短線，或使用雙絞線，以防止兩根線之間的耦合。

2：盡可能靠近閘門端插入鐵氧體珠(現在這種設計比較少見，一個是MOS工藝進步，一個是成本考量，更多使用3#)

3：在柵極插入一個串聯電阻--->Rgate。

2.RC緩沖器

RC緩沖器或者叫RC抑制器，可用于抑制由降壓DC-DC轉換器開關產生的電壓尖峰和高頻振鈴，這里再回顧一下降壓轉換器的運行及電壓尖峰和振鈴產生的機理。圖20-2顯示了一個基本的降壓轉換器電路，其工作流程如下(傳送門：DC-DC-2：降壓型的工作原理)：

圖20-2：降壓DC-DC工作圖

步驟1：Q1開啟時，通過電感L給輸出電容器Cout充電。

步驟2：當Q1關閉時，反向電動勢產生的電流通過Q2的體二極管流過L--->Cout--->Q2。(這段時間是Q1和Q2都關閉的死區時間)

步驟3：Q2接通，電流流過L、Cout和Q2(從源極到漏極)，此時Q2作為同步整流器運行。

步驟4：Q2關閉，反向電動勢導致電流流過其體二極管。

步驟5：Q1接通，導致電流流向電感L，反向恢復電流流過Q2的本體二極管。

在通過Q2的體二極管的電流消失后，降壓轉換器再次通過步驟1到步驟5循環，降壓轉換器的輸出電壓Vout由其輸入電壓Vin和Q1的占空比決定。

電壓峰值和鈴聲

在步驟5中，寄生電感和電容形成一個諧振電路，引起瞬態電壓尖峰和振鈴。當在步驟5中Q1過渡到打開狀態，而Q2過渡到關閉狀態時，Cin顯示出非常大的電容，導致它們短路，而L也非常大，可以被認為是開路，此時圖20-2中的降壓轉換器可以被建模為一個如圖20-3所示的等效電路。

圖20-3：Q1開機后立即進行降壓開關轉換器的等效電路

寄生電容CP的主要來源是Q2的COSS，而寄生電感(L1、L2、LD和LS)的來源是導線、Q1和Q2。設這些電感的和為LP，然后CP、LP和Rs形成一個LCR系列諧振電路。Rs主要由Cin的等效串聯電阻ESR和Q1的開啟電阻組成，其值很小可以忽略不計。因此電壓峰值和振鈴可以定義為CP(Q2的COSS)和LP(導線電感)之間的諧振。

3.使用RC緩沖器的電壓峰值和振鈴抑制

如上描述，在開關MOS接通時，會在降壓轉換器中產生電壓峰值和振鈴，而使用緩沖器是用于保護瞬態電壓的措施之一。緩沖器是一種保護電路，它抑制電流關閉時產生的瞬態電壓，還抑制晶體管和二極管開關引起的電壓峰值。緩沖器不僅可以保護開關設備，還可以保護其他電子部件，降低開關噪聲。

圖20-4和圖20-5是一個帶有緩沖器的降壓轉換器的簡化圖，當RC緩沖器抑制由開關產生的電壓尖峰和振鈴時，緩沖器電阻RSNB在緩沖器電容CSNB的充放電期間將尖峰和振鈴轉變為功率消耗掉，因此有必要在選擇RSNB和CSNB時，考慮到它們的電壓峰值和振鈴抑制效應以及RSNB的功率損失之間的權衡。

圖20-4：RC Snubber的充能路徑

圖20-5：RC Snubber的釋能路徑

相關的實例計算可以回看：DC-DC-20：如何設計緩沖電路去除DC-DC的開關節點噪聲，這里不再贅述。

4.一般電源切斷緩沖器

浪涌電壓是由一個電路的雜散電感產生的，緩沖器應與開關器件并聯連接，以吸收浪涌電壓。有兩種類型的緩沖器：一種是在每個開關器件上添加，另一種是在電源總線上添加的集中式緩沖器。

在每個開關器件添加緩沖器A.RC緩沖電路

1：理想的斬波電路

2：由于RC緩沖器電阻造成的功率損失非常大，所以RC緩沖器不適用于高頻開關應用。

3：用于高電容開關裝置的RC緩沖器需要有一個小阻值的電阻器，這將導致在接通期間漏極電流增加。

緩沖電阻耗散的功率P計算如下：

圖20-6：干路電源分立式開關使用RC緩沖器

圖20-7：實際設計案例

圖20-7是一個使用實例，來自于域控制器的24V輸入電源入口路徑處，C305和R797構成一組RC
Snubber，其中R797同時兼具鉗位作用。

B.RDC充放電緩沖器

1：將二極管添加到RC緩沖器中，以增加緩沖器的阻力，這使得可以消除在導通期間由開關器件共享的電流。

2：緩沖電阻器耗散的大功率使RDC緩沖電阻器不適合高頻應用。

緩沖電阻耗散的功率計算如下：

圖20-8：RCD放電緩沖器

C.放電抑制RCD緩沖器

1：抑制關閉時產生的關閉浪涌電壓。

2：較低的功耗非常適合理想的高頻開關應用場景。

3：被緩沖器所消耗的能量很小。緩沖電阻耗散的功率P計算如下：

圖20-9：放電-抑制RCD緩沖器

因為直流電源電壓Ed和浪涌電壓之間的差異，在某些情況下，該電路可能無法提供足夠的浪涌吸收性能，關鍵在于二極管的參數。(L：主電路的損耗電感;Io：設備關閉時的排放電流;Cs：緩沖電容的電容;Ed：直流電源電壓;f：開關頻率)

5.電源干線集成緩沖器

如圖20-10也有簡化的緩沖器設計。

C型減振器

雖然C型減振器是最簡單的，但由于主電路雜散電感與阻電容之間的LC共振，導致它們容易發生電壓振蕩。

RCD緩沖器

RCD緩沖器需要注意選擇緩沖二極管，因為它可能會在反向恢復過程中導致高電壓尖峰和電壓振蕩。

圖20-10：左--->C型緩沖器;右--->RDC緩沖器

6.創建緩沖器設計(抑制放電的RCD緩沖器)

圖20-11顯示了一個緩沖器電路，圖20-12顯示了其波形。

圖20-11：緩沖器電路

圖20-12：緩沖器波形

在波形中所示的電壓和電路常數可以計算如下，其中Vdsp1是由緩沖器的電感Ls產生的電壓，其計算方法如下：

盡量將二極管d的正向電壓Vfr最小化，然后減少可能引起電壓激增的Ls都可以有效降低Vdsp1。VCEP2是當主電路的雜散電感LM的能量過充時，緩沖電容Cs之間的峰值電壓，由于存儲在LM中的能量被轉移到Cs中，所以它們的能量是相等的。因此以下公式成立：

根據這個公式，C的值的計算方法如下：

考慮到MOSFET的耐受電壓，有必要確定Vdsp2的值。緩沖電阻Rs值的選擇，緩沖電阻Rs的作用是在MOSFET開始其下一次開啟操作之前，放電存儲在緩沖電容器中的電荷。設放電時間常數為τ，則：

其中，τ為電壓降至存儲電壓的37%所需的時間(傳送門：SCD-19：RC時間常數的計算和使用要點)，電壓下降至10%(即電容器放電存儲的90%的電荷)所需的時間為2.3τ，如圖20-13所示：

圖20-13：時間常量與放電量的對比關系

電容器必須在下一次關閉操作之前放電，因此必須滿足下面的方程式，由這個方程可知，Rs可以計算出如下：

如果緩沖器電阻值過低，緩沖器可能會出現電流振蕩，因此必須使用一個阻值在合理范圍內盡可能高的電阻器。