一文詳解緩沖電路原理及設計

一、什么是緩沖器？

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

緩沖電路設計通常都比較復雜，設計一個好的緩沖電路需要對電路有很深入的了解，這篇文章就來詳細介紹一下緩沖電路、緩沖電路設計、緩沖電路功耗計算。

二、緩沖器電路設計的一般分類

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，對于電源效率要求比較高的話，這就一個很大的缺點，但是容易設計。耗散緩沖器使用電阻，有時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)下不會消散功率的電路，一般都來說比較復雜，價格也比較高，但是對于高效應用的話，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。對于大多數(shù)應用，耗散緩沖器損耗被最小化也能夠接受，通過會用來快速設計。

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

三、緩沖電路設計

緩沖器電路設計通常集中在2種常用配置中。

1、RC緩沖電路設計

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MOSFET常用的緩沖器。

RC緩沖電路設計

下面為有部分采用RC緩沖電路設計的電路

1）升壓轉(zhuǎn)換器拓撲

升壓轉(zhuǎn)換器拓撲

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緩沖電路設計

也有人把這個稱為RCD鉗位，被叫做RCD鉗位是因為RCD緩沖器會鉗制電壓尖峰，但不會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緩沖器設計的電路

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轉(zhuǎn)換器，這樣可以將設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。電容用作電荷儲存，電阻提供放電路徑。

例如下面這個電路RC 緩沖器 R1 和 C1 保護 MOSFET Q1 不受漏極電壓尖峰的影響。當 MOSFET 關閉時，緩沖電容將通過 R1 充電。

當 MOSFET 導通時，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。電阻是耗散功率的電阻，在單個開關周期中，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。

實際上，RC緩沖器能夠修改振鈴頻率，有助于解決EMI相關問題。在之前的設計中，在開關MOSFET和二極管上使用RC緩沖器解決了EMI的幾個問題。

四、開關MOSFET中為什么會產(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。漏感會產(chǎn)生電壓尖峰，漏感將存儲能量，但是該能量不會傳輸?shù)截撦d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不會同時工作。當 Q1 為 ON 時，Q2 為 OFF，反之亦然?？梢酝ㄟ^僅采用如下所示的單個 MOSFET 來簡化電路。

單個 MOSFET 來簡化電路

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)的效率會受到影響。

2、如何計算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。當Q1導通時，緩沖電容上的電荷會通過Rsn放電。到 Q1 關斷時，電容 Csn 將通過 Rsn 充電。因此，在單個開關周期內(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。實際上，RMS1 波形位于負 y 軸上，因為它發(fā)生在電容放電時。由于要獲得RMS值，就需要在正Y軸繪制波形。

波形圖

V RMS1 – 電容放電時電阻電壓波形的有效值

V RMS2 – 電容充電時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，用于將其打開和關閉

T——一個開關周期

Ton——Q1 開啟或 PWM 為高電平的時間

5RC——簡單的 5 個 tau 或 5 個時間常數(shù)

t1 – Q1 關斷后電阻上的電壓變?yōu)榱愕臅r間

在下面的推導中，曲線下的面積就認為是三角形為了方便積分，這樣的話，計算的結(jié)果應該會比實際測試結(jié)果要高一點。下面為推導過程：

1）t1

當 Q1 關閉時，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存在于從時間零到電容器的完全放電狀態(tài)，這發(fā)生在 5 個時間常數(shù)。

VRMS1 _

VRMS1 _

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

3）VRMS2 _

V RMS2從 Q1 關閉到 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

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

當 Q1 關閉時，由于 L1 和 L2 的匝數(shù)相同，漏極電壓最初會出現(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Q1導通時，將為C1中的電荷通過R1放電提供接地路徑。此時，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變壓器支路上都有一個同步整流器。

輸出電壓 = 24V

CSN = 1nF

RSN = 51Ω

Fsw = 110kHz（開關頻率）

VDS MAX = 80V（測得的電壓尖峰）

V SR_DROP = 0.2V（Q1 或 Q2 導通時的估計壓降）

計算過程：

4、RC緩沖電路計算功率損耗的便捷方法

上面的解決方案很復雜，需要很高的技術知識，有一個可以使用的直接解決方案。如果在設計上有很大余量，也是夠的，因為會產(chǎn)生更高的功耗。如果你想要更接近實際的結(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)，因為很明顯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對狀態(tài)電阻的小阻尼效應。

在電容處于充電狀態(tài)時，我不太同意。用這個方法，就假設電容充電和放電期間的能量時相同的，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來獲取能量，這里考慮分析中的放電狀態(tài)。

放電狀態(tài)計算公式

考慮到 110 kHz 的開關頻率和 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際或測量結(jié)果。復雜的方法（上面的方法）記錄了0.545瓦，而這種簡單方法的結(jié)果是0.704瓦。

六、RCD緩沖電路設計與分析

RCD緩沖器有時也稱為RCD鉗位，因為實際上鉗位電壓尖峰，RCD鉗位充當?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。二極管充當單向開關。下面用藍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，因為要根據(jù)反激式設計RCD值。

RCD緩沖電路

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

1、Rsn的推導

Rsn的推導

Rsn的推導

Rsn的推導

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。在前面的推導中，假設電流只會流向 RCD 鉗位，并且二極管 Dsn 的正向恢復時間理想情況下為零。在實際設計中，部分電流可能流向漏極電容，二極管的正向恢復時間不為零。這樣的話計算出的鉗位電壓小于實際值。為了彌補這一點，必須增加額外的保證，將 OF 設置為 20-30%。

2、Csn的推導

Csn的推導

Csn的推導

電容必須足夠大，這樣鉗位電壓才不會在一個開關周期內(nèi)變化太大。

選擇電容時候，將 Vremained 與 Vclamp 的比率設置為 50%。

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

PRsn = Vclamp 2 / Rsn

審核編輯：湯梓紅