电源开关的阻容 (RC) 吸收器设计

电源开关是每一种电源转换器的核心元件。 这些元件的工作性能直接决定产品的可靠性和能效。 为增强电源转换器的开关电路性能，吸收器横跨电源开关，以抑制电压尖刺以及衰减电路电感在开关打开时造成的瞬时振荡。 正确的吸收器设计会提升可靠性和能效并减弱 EMI。 在许多不同的吸收器中，最常见的吸收器是阻容 (RC) 吸收器。 本文将说明为什么电源开关需要吸收器。 此外，还将给出关于最佳吸收器设计的一些实用小窍门。

在电源转换器、电机驱动器和灯泡镇流器中会用到许多不同的拓扑结构。 图 1 所示为电源开关的四种基本电路。 如图中蓝色线框所示，这四种基本电路以及大多数电源开关电路都采用了“开关-二极管-电感器”网络。 这种网络在所有这些电路中的特性均相同。 所以，图 2 中的简化电路可用于分析电源开关在开关瞬变期间的开关性能。 既然电感器中的电流在开关瞬变期间几乎不变，那么如图所示，这个电感器就可用电流源替代。 图 2 所示为理想的“电压和电流开关”波形。

当 MOSFET 开关关断时，其自身电压升高。 然而，电流 I_L 将继续通过 MOSFET，直到开关电压升至 Vol。 一旦二极管导通，I_L 就开始降低。 当 MOSFET 开关导通时，情况刚好相反，如图所示。 这种开关方式称作“硬开关”。 在开关瞬变期间，电路必须能同时承受最高电压和最大电流。 因此，这种“硬开关”方式会使 MOSFET 开关直接承受高电气应力。


实际电路中，寄生电感 (L_p)、电容 (C_p) 会产生非常高的开关应力，如图 4 所示。 C_p 包括开关的输出电容、PCB 布局和安装时产生的杂散电容。 L_p 包括 PCB 线路的寄生电感和 MOSFET 的引线电感。 这些来自功率器件的寄生电感、电容形成一个滤波器，并在关断瞬变刚刚结束时形成谐振，所以会在器件上叠加过高的电压瞬时振荡，如图 3 所示。 为抑制这种峰值电压，可在开关上并联一个 RC 吸收器，如图 4 所示。 电阻值必须接近希望衰减的寄生谐振的阻抗值。 吸收器电容必须大于谐振电路电容，但又必须足够小，以便最大程度地减小电阻器功率耗散。


如果功率耗散非关键指标，则可采用一种快捷的 RC 吸收器设计方法。 按照经验，吸收器电容器 C_snub 应两倍于开关输出电容与预计安装电容之和。 吸收器电阻器 R_snub 则应满足 。 电阻 R_snub 在给定开关频率 (fs) 下的功率耗散可按照下式估算：



当这种简单的经验设计不能充分限制峰值电压时，就需采取优化措施。

经过优化的 RC 吸收器：在功率耗散是关键指标的情况下应采用一种更优的方法。 首先，测量 MOSFET 开关关断时在其节点 (SW) 处的瞬时振荡频率 (F_ring)。 在 MOSFET 两端焊接一个薄膜型 100 pF、低 ESR 电容器。 增大电容值，直至瞬时振荡频率为原始测量值的一半。 现在，开关的总输出电容（增加的电容和原有寄生电容之和）增大到原来的四倍，而瞬时振荡频率则与电路的电感电容之积的平方根成反比例。 所以，寄生电容 C_p 是外加电容器电容值的三分之一。 现在，寄生电感 L_p 可利用下式求出：



只要求出寄生电感 L_p 和寄生电容 C_p，就可根据以下计算公式确定吸收器的电阻器 R_snub 和电容器 C_snub。





如发现吸收器电阻器不够大，则可以进行微调，进一步减少瞬时振荡。

电阻器 R_snub 在给定开关频率 (f_s) 下的功率耗散为 。

利用所有这些求出的值即可完成电源开关吸收器设计，然后就可以在应用中实现。