一种实用快捷的Snubber设计方法
摘要:本文介绍 RC 吸收电路(Snubber)抑制开关振铃的原理与作用,详细阐述其设计三步法(确定寄生参数、选取电阻、选择电容),并以 LM5119 缓冲电路为例进行实测分析,强调选用高频特性好的元件以优化效果。
1、什么是Snubber
由于寄生参数的存在,开关电源电路在开关动作瞬间会产生开关振铃。
RC吸收电路也叫RC缓冲电路(RC Snubber),是一种电阻(Rs)与电容(Cs)串联,并与开关并联连接的电路结构,也称为RC吸收器。RC吸收电路用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形,其主要作用包括抑制开关过程中产生的电压尖峰和电流尖峰、减少开关损耗、降低电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt),以及减少电磁干扰(EMI)。
该电路在电力电子和开关电源等领域有广泛应用,常用于保护晶闸管、IGBT、MOSFET等开关器件。RC吸收电路的设计需要根据具体的电路参数(如工作电压、开关频率、寄生电感等)选择合适的电阻和电容值,通常需要在抑制效果与电路效率(功耗)之间进行权衡。
2、设计步骤
1)需要确定Figure 3中的LR和CR
首先测量初始振铃频率。
然后在 Snubber 将要放置的位置上,放置一个 Cadd,如图 7 所示,因此新的可测得的振铃频率表达式为:
以上两式中,仅 LR 和 CR 为未知量,故可通过两式联立,解得 LR 和 CR。
2)选取合适的R值
使得 R 值近似于:
注意,电阻的封装应考虑散热。使得电阻功率等级大于电阻上损耗。电阻损耗表达式为
3)选择合适的电容值Csnub
如前文所说,电容值的选择是振幅抑制和控制损耗的折中。可选择以式(11)作为起点,根据损耗情况和振幅抑制效果,进行进一步的调整:增大电容抑制振幅,减小电容提高效率。
3、LM5119缓冲电路设计实例
以 LM5119 EVM 为例,测试条件为 Vin = 16V, Vout = 10V, Iout = 1A。
通过示波器读出开关上升沿波形,如Figure 8。可知,f1 = 93MHz。
在 EVM 原有的空置的 Snubber 位置上增加一个新的 220pF 的电容后。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 = 2.2Ω。再由式(11),选择接近的 Csnub = 3.3nF。
最后得到的振铃波形如 Figure 10 所示,可见振铃幅度大大减弱。另外,值得注意的是,该实验结果效果比仿真结果略差。主要原因是 Snubber 本身也会导入寄生电感,削弱了 Snubber 的效果。因此在实际的操作中,Snubber 电路需要尽量选择高频特性好的电阻与电容。
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