一文詳解緩沖電路原理及設(shè)計(jì)

一、什么是緩沖器？

緩沖器是一種對(duì)電壓尖峰、振鈴和振蕩效應(yīng)的電路保護(hù)形式。緩沖器通過鉗位電壓尖峰但不改變振鈴頻率。

緩沖電路設(shè)計(jì)通常都比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)一個(gè)好的緩沖電路需要對(duì)電路有很深入的了解，這篇文章就來詳細(xì)介紹一下緩沖電路、緩沖電路設(shè)計(jì)、緩沖電路功耗計(jì)算。

二、緩沖器電路設(shè)計(jì)的一般分類

1、有損或者散耗緩沖電路

有損緩沖電路是一種消耗功率的電路，對(duì)于電源效率要求比較高的話，這就一個(gè)很大的缺點(diǎn)，但是容易設(shè)計(jì)。耗散緩沖器使用電阻，有時(shí)候也使用二極管作為耗散元件。

有損緩沖電路

2、無損或者非耗散緩沖電路

無損緩沖電路是一種理想狀態(tài)下不會(huì)消散功率的電路，一般都來說比較復(fù)雜，價(jià)格也比較高，但是對(duì)于高效應(yīng)用的話，這是首選。非耗散緩沖器使用電感和電容。

3、有損和無損緩沖器功率損耗比較

有損緩沖器損耗取決于緩沖器設(shè)備的選擇，器件選擇取決于要抑制的尖峰電壓和振鈴頻率。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，耗散緩沖器損耗被最小化也能夠接受，通過會(huì)用來快速設(shè)計(jì)。

無損緩沖器在理想狀態(tài)下是無損的或者不會(huì)消耗功率，但實(shí)際上沒有理想的電路，所以也會(huì)有小的損失。

三、緩沖電路設(shè)計(jì)

緩沖器電路設(shè)計(jì)通常集中在2種常用配置中。

1、RC緩沖電路設(shè)計(jì)

從名字本身來理解，就是用電阻和電容組成的緩沖電路，下面是開關(guān)MOSFET常用的緩沖器。

RC緩沖電路設(shè)計(jì)

下面為有部分采用RC緩沖電路設(shè)計(jì)的電路

1）升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

2）降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)換器

3）DC-DC同步整流器

DC-DC同步整流器

2、RCD緩沖電路設(shè)計(jì)

也有人把這個(gè)稱為RCD鉗位，被叫做RCD鉗位是因?yàn)镽CD緩沖器會(huì)鉗制電壓尖峰，但不會(huì)改變尖峰或者振鈴頻率。

RCD緩沖器由電阻、電容和二極管組成。

RCD緩沖器

下面為使用RCD緩沖器設(shè)計(jì)的電路

1）反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器

2）正向轉(zhuǎn)換器

正向轉(zhuǎn)換器

3、RC緩沖器工作原理

RC緩沖器通常用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器，這樣可以將設(shè)備上的電壓尖峰限制在安全水平。

RC緩沖器

RC 緩沖器通過修改振鈴頻率以及降低電壓尖峰電平來工作。電容用作電荷儲(chǔ)存，電阻提供放電路徑。

例如下面這個(gè)電路RC 緩沖器 R1 和 C1 保護(hù) MOSFET Q1 不受漏極電壓尖峰的影響。當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，緩沖電容將通過 R1 充電。

當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，電容將通過 R1 放電到 MOSFET 和電路地。該循環(huán)將隨著電容為空而重復(fù)。電阻是耗散功率的電阻，在單個(gè)開關(guān)周期中，有兩次電流流向電阻。下圖將電流稱為充電和放電電流。

充電和放電電流。

實(shí)際上，RC緩沖器能夠修改振鈴頻率，有助于解決EMI相關(guān)問題。在之前的設(shè)計(jì)中，在開關(guān)MOSFET和二極管上使用RC緩沖器解決了EMI的幾個(gè)問題。

四、開關(guān)MOSFET中為什么會(huì)產(chǎn)生振鈴和電壓尖峰？

振鈴和電壓尖峰是由漏感和MOSFET輸出電容的相互作用引起的。漏感會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，漏感將存儲(chǔ)能量，但是該能量不會(huì)傳輸?shù)截?fù)載所需要的系統(tǒng)。

下圖為中心抽頭全橋整流中常見的同步整流器，這種電路結(jié)構(gòu)在SMPS的DC-DC部分非常常見。

如下圖，所需電感中的能量將轉(zhuǎn)移到負(fù)載（輸出側(cè)），但是泄露能量沒有地方可以去。

同步整流器

上圖中的Q1和Q2不會(huì)同時(shí)工作。當(dāng) Q1 為 ON 時(shí)，Q2 為 OFF，反之亦然?？梢酝ㄟ^僅采用如下所示的單個(gè) MOSFET 來簡(jiǎn)化電路。

單個(gè) MOSFET 來簡(jiǎn)化電路

VDD 電平理想情況下是輸出電平加上尖峰電平的兩倍。

五、緩沖電路計(jì)算

1、RC緩沖電路中的功率損耗

RC緩沖器中功率耗損主要是電阻。必須根據(jù)功率耗損和緩沖器有效地選擇合適的電阻尺寸。電阻過高會(huì)降低功率損耗，就有可能無法提供有效的緩沖器。

如果較低的電阻可能提供有效的緩沖器，由于RC緩沖器較高的功率損耗，系統(tǒng)的效率會(huì)受到影響。

2、如何計(jì)算RC緩沖器電阻的功率損耗

在下面的電路中，Rsn 和 Csn 組成了 RC 緩沖器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，緩沖電容上的電荷會(huì)通過Rsn放電。到 Q1 關(guān)斷時(shí)，電容 Csn 將通過 Rsn 充電。因此，在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流將兩次通過電阻。

RC緩沖器電流放電充電

用于分析的重要波形，電阻上的總RMS功耗取決于VRMS1 和 VRMS2。實(shí)際上，RMS1 波形位于負(fù) y 軸上，因?yàn)樗l(fā)生在電容放電時(shí)。由于要獲得RMS值，就需要在正Y軸繪制波形。

波形圖

V RMS1 – 電容放電時(shí)電阻電壓波形的有效值

V RMS2 – 電容充電時(shí)電阻電壓波形的有效值

V DRAIN – Q1 的漏極電壓

VC SN – 緩沖電容電壓

VR SN – 緩沖電阻電壓

PWM – Q1 柵極上的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，用于將其打開和關(guān)閉

T——一個(gè)開關(guān)周期

Ton——Q1 開啟或 PWM 為高電平的時(shí)間

5RC——簡(jiǎn)單的 5 個(gè) tau 或 5 個(gè)時(shí)間常數(shù)

t1 – Q1 關(guān)斷后電阻上的電壓變?yōu)榱愕臅r(shí)間

在下面的推導(dǎo)中，曲線下的面積就認(rèn)為是三角形為了方便積分，這樣的話，計(jì)算的結(jié)果應(yīng)該會(huì)比實(shí)際測(cè)試結(jié)果要高一點(diǎn)。下面為推導(dǎo)過程：

1）t1

當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，緩沖電容將充電并且其電壓將呈指數(shù)上升，而緩沖電阻最初會(huì)看到非常高的電壓但呈指數(shù)衰減，因此：

t1

VDS – Q1 漏極電壓的穩(wěn)態(tài)（無尖峰）

VDS MAX – 是峰值漏極電壓（帶尖峰）

2）VRMS1 _

V RMS1存在于從時(shí)間零到電容器的完全放電狀態(tài)，這發(fā)生在 5 個(gè)時(shí)間常數(shù)。

VRMS1 _

VRMS1 _

VR SN_DIS – 放電期間電阻電壓的峰值電平，相當(dāng)于沒有尖峰的漏極電壓電平。

3）VRMS2 _

V RMS2從 Q1 關(guān)閉到 t1 一直存在。

VRMS2 _

VRMS2 _

VR SN_CHA – 充電期間電阻電壓的峰值電平（帶電壓尖峰）

4）緩沖電阻的總 RMS 電壓

緩沖電阻的總 RMS 電壓

5）緩沖電阻功耗

緩沖電阻功耗

3、RC緩沖電路功率損耗示例

下面這個(gè)示例的特點(diǎn)是中心抽頭變壓器在每個(gè)變壓器支路上都有一個(gè)同步整流器。Q1和Q2互補(bǔ)。（理想情況下占空比為50%，不考慮死區(qū)時(shí)間）

當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，由于 L1 和 L2 的匝數(shù)相同，漏極電壓最初會(huì)出現(xiàn)高電壓尖峰，然后穩(wěn)定到 Vout 電平的兩倍，在此期間 C1 將充電。

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，將為C1中的電荷通過R1放電提供接地路徑。此時(shí)，R1 上的電壓峰值正好是 Vout 的兩倍加上 Q2 上的壓降。

中心抽頭變壓器在每個(gè)變壓器支路上都有一個(gè)同步整流器。

輸出電壓 = 24V

CSN = 1nF

RSN = 51Ω

Fsw = 110kHz（開關(guān)頻率）

VDS MAX = 80V（測(cè)得的電壓尖峰）

V SR_DROP = 0.2V（Q1 或 Q2 導(dǎo)通時(shí)的估計(jì)壓降）

計(jì)算過程：

4、RC緩沖電路計(jì)算功率損耗的便捷方法

上面的解決方案很復(fù)雜，需要很高的技術(shù)知識(shí)，有一個(gè)可以使用的直接解決方案。如果在設(shè)計(jì)上有很大余量，也是夠的，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生更高的功耗。如果你想要更接近實(shí)際的結(jié)果，就需要使用之前的分析。

在這種方法中，電阻中的能量等于充電和放電狀態(tài)下的電容。我更覺得是放電狀態(tài)，因?yàn)楹苊黠@電容中的能量比電阻中的能量沒有地方可以去，這里沒有考慮MOSFETD對(duì)狀態(tài)電阻的小阻尼效應(yīng)。

在電容處于充電狀態(tài)時(shí)，我不太同意。用這個(gè)方法，就假設(shè)電容充電和放電期間的能量時(shí)相同的，也就是電阻的能量。

電阻中的能量等于充電和放電狀態(tài)下的電容

由于充放電過程的能量大小相同，所以只考慮其中一個(gè)來獲取能量，這里考慮分析中的放電狀態(tài)。

放電狀態(tài)計(jì)算公式

考慮到 110 kHz 的開關(guān)頻率和 80V 的最大漏極電壓以及 1nF 的緩沖電容，電阻上產(chǎn)生的功耗為：

電阻上產(chǎn)生的功耗為

這種方法的結(jié)果高于以前的方法和實(shí)際或測(cè)量結(jié)果。復(fù)雜的方法（上面的方法）記錄了0.545瓦，而這種簡(jiǎn)單方法的結(jié)果是0.704瓦。

六、RCD緩沖電路設(shè)計(jì)與分析

RCD緩沖器有時(shí)也稱為RCD鉗位，因?yàn)閷?shí)際上鉗位電壓尖峰，RCD鉗位充當(dāng)?shù)妥杩闺妷涸础?/p>

RCD主要包含：R的電阻，二極管的CD電容。電阻將從存儲(chǔ)的泄露能量中耗散功率，電容可以確保低紋波直流電源。二極管充當(dāng)單向開關(guān)。下面用藍(lán)色框框包圍的電路是RCD緩沖器。

RCD緩沖器通常用于反激式轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橐鶕?jù)反激式設(shè)計(jì)RCD值。

RCD緩沖電路

如果要推導(dǎo)方程式，就必須要了解波形以及如何分析波形。這里是展示，如果不想記住推導(dǎo)的過程，直接使用推導(dǎo)出來的公式就可以了。

1、Rsn的推導(dǎo)

Rsn的推導(dǎo)

Rsn的推導(dǎo)

Rsn的推導(dǎo)

用Vclamp表示，表示漏極電壓；

在上面的等式中，“OF”是“其他因素”的縮寫。在前面的推導(dǎo)中，假設(shè)電流只會(huì)流向 RCD 鉗位，并且二極管 Dsn 的正向恢復(fù)時(shí)間理想情況下為零。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，部分電流可能流向漏極電容，二極管的正向恢復(fù)時(shí)間不為零。這樣的話計(jì)算出的鉗位電壓小于實(shí)際值。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，必須增加額外的保證，將 OF 設(shè)置為 20-30%。

2、Csn的推導(dǎo)

Csn的推導(dǎo)

Csn的推導(dǎo)

電容必須足夠大，這樣鉗位電壓才不會(huì)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變化太大。

選擇電容時(shí)候，將 Vremained 與 Vclamp 的比率設(shè)置為 50%。

意味著鉗位網(wǎng)絡(luò)的紋波電壓是鉗位電壓的一半。電阻上的功耗可計(jì)算為：

PRsn = Vclamp 2 / Rsn

審核編輯：湯梓紅