Buck電路中snubber的引入和參數(shù)計算

之前我們在“Buck振鈴尖峰的實驗與分析”一文中詳細分析了buck振鈴的來龍去脈，提到Snubber電路是解決這個問題的一種方式，不過沒有具體說明具體該如何解決。最近在TI的網(wǎng)站上看到了 一個Snubber詳細設計的文檔，就直接轉過來分享給兄弟們了，詳細內容如下文。

本應用報告首先給出了降壓式開關電路（buck）在上管開通瞬間的的一個等效諧振回路模型。根據(jù)該模型推導出使得開關振鈴最小化的阻容緩沖電路（snubber）的參數(shù)計算公式，并結合參數(shù)公式給出了一套 snubber 電路的快速設計方法，最后以 LM5119 的 EVM 為例給出了 snubber的設計過程和結果。

1、Buck 電路中snubber 的引入和參數(shù)計算

1.1、Snubber 電路的引入

由于寄生參數(shù)的存在，開關電源電路在開關動作瞬間會產(chǎn)生開關振鈴。Figure 1 為 buck 電路開關節(jié)點（兩個開關與電感交匯點）的典型波形，可見在上管開通瞬間都有不同程度的振鈴。

振鈴的存在，可能使得開關管承受的電壓超過其耐壓值而發(fā)生擊穿；另一方面，開關振鈴為遠超開關頻率的高頻振鈴，并伴隨很高的 dV/dt，會帶來傳導和輻射的 EMI 問題，可能會使得終端產(chǎn)品不能通過 EMI 標準測試，更嚴重時甚至會干擾開關電源自身的信號電路或臨近的其他功能電路的正常工作。所以盡可能地抑制開關振鈴是開關電源設計中一個很重要的環(huán)節(jié)。

常見的措施，包括布線的優(yōu)化減小線路寄生參數(shù)；選用二極管反向特性好的器件；降低開關速度；在振鈴回路中放置 snubber 等。其中，snubber 是最為常用的手段，特別是在以上其他措施因客觀因素的限制而不能達到最佳效果時。Snubber 不僅能改變振鈴頻率，同時其電容效應會降低開關節(jié)點的 dV/dt，從而有效抑制 EMI。

本文以 LM5119 為實例討論buck 電路的 snubber 的相關問題，但同樣的設計思路和方法可以推導到其他非隔離拓撲中。

1.2、包含寄生參數(shù)的振鈴回路等效

Figure 2 展示了包含主要寄生電感和電容的 buck 電路，RC snubber（R 和 Csnub）放置在開關節(jié)點和GND 節(jié)點之間。該電路主要用來抑制上管開通瞬間的振鈴，而該振鈴正是絕大多數(shù)過壓問題和 EMI 問題的源泉。

首先由于開關過程在極短時間（從數(shù)個納秒至數(shù)十個納秒）完成，在此過程中電感 L 的電流幾乎不變，故 L 和 Lp2（包括串聯(lián)的 Lp6）不參與振鈴。

其次，在振鈴使得幅值超過 Vi后，上管 MOSFET 的溝道已完全打開，CQ被短路，也不參與振鈴。故最終的振鈴回路由圖 3 左虛線方框中電路組成。該電路可等效成圖 3 中 LC 諧振電路，新的 LR和 CR為 Lp1、Lp5，Lp3, Lp4, CD等所有參與振鈴的寄生感容的復合值。通常 Snubber 的 Csnub取值在數(shù) nF 以上，在振鈴頻率 fR（加了 snubber 后）下的阻抗很小。

以Csnub=2.2nF, fR=150MHz 為例，阻抗為 1/(j*2πfR*Csnub)=-0.48j?。而 R 一般在數(shù)歐姆以上，故 figure 3左可進一步近似等效為 figure 3 右。

1.3、等效模型下的 snubber 參數(shù)計算

由 figure 3 電路，可得到：

故為使電路電路為阻尼振鈴，R 的取值為：

Figure 4 給出了不同電阻值的仿真對比。仿真條件為：Lp1=Lp5=10nH，Lp3=Lp4=2nH, Csnub=10nF，CD=200pF

同時，Csnub越大，在 RC snubber并聯(lián)到CR后，實際等效的 CR會更大，意味著同樣的阻尼電阻對振鈴抑制效果越好。

Figure 5 給出了在相同 R（R=2.2Ohm，其他電路寄生參數(shù)如前文）下，不同 Csnub的仿真結果。電容越大，抑制振鈴振幅效果越好。

而且當電容達到一定程度大小以后，電容的增加給振鈴抑制的效果并不顯著，比如圖 x 中 2500pF 和 3500pF 對應的振幅對比。究其原因，在 RCsnubber 支路，電路電抗為 R+1/(j2πfRCsnub)，當 C 達到使得 1/(j2πfRCsnub)<

另一個不能忽略的方面是，Csnub越大，buck 電路的損耗會越大，效率會越差。

損耗包括兩個方面。

式（3）為 snubber 電阻上的損耗，可知該損耗正比于電容容值。Figure 6 為上管開通瞬間的驅動電壓和MOSFET 上電流電壓對應關系。

式（4）為 MOSFET 開關損耗(包括開通和關斷損耗，并假設開通關斷時間一致)，因為其中 t2 隨 Csnub的增大而增大，開關損耗也隨之增大?？梢?，從較小損耗的角度，電容越小越好。設計者需要在控制功耗和抑制振鈴之間找到較好的平衡。

2、一種實用快捷的 snubber 設計方法

2.1、設計步驟

根據(jù)以上的討論，下文給出一個基于上文討論等效模型的實用快捷的緩沖電路設計方法。

第一步，需要確定圖 figure 3 中的 LR和 CR。

首先測量初始振鈴頻率。

然后在 snubber 將要放置的位置上，放置一個 Cadd，如圖 7 所示，因此新的可測得的振鈴頻率表達式為：

以上兩式中，僅 LR和 CR為未知量，故可通過兩式聯(lián)立，解得 LR和 CR.

第二步，選取合適的 R 值

使得 R 值近似于：

注意，電阻的封裝應考慮散熱。使得電阻功率等級大于電阻上損耗。電阻損耗表達式為，

第三步，選擇合適的電容值 Csnub。

如前文所說，電容值的選擇是振幅抑制和控制損耗的折中?？蛇x擇以式（11）作為起點，根據(jù)損耗情況和振幅抑制效果，進行進一步的調整：增大電容抑制振幅，減小電容提高效率。

2.2、LM5119 EVM 緩沖電路設計實例

以 LM5119 EVM 為例，測試條件為 VIN=16V， VOUT=10V， IOUT=1A。

第一步，通過示波器讀出開關上升沿波形，如 figure 8?？芍琭1=93MHz。

在 EVM 原有的空置的snubber 位置上增加一個新的 220pF 的電容后。新的波形如 figure 9，f2=75MHz。故可解得 LR=7.5nH，CR=387pF。

由式(9)得：

故可取 R=2.2 歐姆

再由式（11）。選擇接近的 Csnub=3.3nF。

最后得到的振鈴波形如 figure 10 所示，可見振鈴幅度大大減弱。另外，值得注意的是，該實驗結果效果比仿真結果略差。主要原因是 snubber 本身也會導入寄生電感，削弱了 snubber 的效果。因此在實際的操作中，snubber 電路需要盡量選擇高頻特性好的電阻電容。

審核編輯：湯梓紅