之前我們?cè)凇癇uck振鈴尖峰的實(shí)驗(yàn)與分析”一文中詳細(xì)分析了buck振鈴的來龍去脈，提到Snubber電路是解決這個(gè)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(gè)Snubber詳細(xì)設(shè)計(jì)的文檔，就直接轉(zhuǎn)過來分享給兄弟們了，詳細(xì)內(nèi)容如下文。

本應(yīng)用報(bào)告首先給出了降壓式開關(guān)電路（buck）在上管開通瞬間的的一個(gè)等效諧振回路模型。根據(jù)該模型推導(dǎo)出使得開關(guān)振鈴最小化的阻容緩沖電路（snubber）的參數(shù)計(jì)算公式，并結(jié)合參數(shù)公式給出了一套 snubber 電路的快速設(shè)計(jì)方法，最后以 LM5119 的 EVM 為例給出了 snubber的設(shè)計(jì)過程和結(jié)果。

1、Buck 電路中snubber 的引入和參數(shù)計(jì)算

1.1、Snubber 電路的引入

由于寄生參數(shù)的存在，開關(guān)電源電路在開關(guān)動(dòng)作瞬間會(huì)產(chǎn)生開關(guān)振鈴。Figure 1 為 buck 電路開關(guān)節(jié)點(diǎn)（兩個(gè)開關(guān)與電感交匯點(diǎn)）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(guān)管承受的電壓超過其耐壓值而發(fā)生擊穿；另一方面，開關(guān)振鈴為遠(yuǎn)超開關(guān)頻率的高頻振鈴，并伴隨很高的 dV/dt，會(huì)帶來傳導(dǎo)和輻射的 EMI 問題，可能會(huì)使得終端產(chǎn)品不能通過 EMI 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，更嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蓴_開關(guān)電源自身的信號(hào)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(guān)振鈴是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中一個(gè)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(guān)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(dá)到最佳效果時(shí)。Snubber 不僅能改變振鈴頻率，同時(shí)其電容效應(yīng)會(huì)降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)的 dV/dt，從而有效抑制 EMI。

本文以 LM5119 為實(shí)例討論buck 電路的 snubber 的相關(guān)問題，但同樣的設(shè)計(jì)思路和方法可以推導(dǎo)到其他非隔離拓?fù)渲小?/p>

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(guān)節(jié)點(diǎn)和GND 節(jié)點(diǎn)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(guān)過程在極短時(shí)間（從數(shù)個(gè)納秒至數(shù)十個(gè)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(fù)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(jìn)一步近似等效為 figure 3 右。

1.3、等效模型下的 snubber 參數(shù)計(jì)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(duì)比。仿真條件為：Lp1=Lp5=10nH，Lp3=Lp4=2nH, Csnub=10nF，CD=200pF

同時(shí)，Csnub越大，在 RC snubber并聯(lián)到CR后，實(shí)際等效的 CR會(huì)更大，意味著同樣的阻尼電阻對(duì)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(jié)果。電容越大，抑制振鈴振幅效果越好。

而且當(dāng)電容達(dá)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(duì)應(yīng)的振幅對(duì)比。究其原因，在 RCsnubber 支路，電路電抗為 R+1/(j2πfRCsnub)，當(dāng) C 達(dá)到使得 1/(j2πfRCsnub)<

另一個(gè)不能忽略的方面是，Csnub越大，buck 電路的損耗會(huì)越大，效率會(huì)越差。

損耗包括兩個(gè)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(qū)動(dòng)電壓和MOSFET 上電流電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系。

式（4）為 MOSFET 開關(guān)損耗(包括開通和關(guān)斷損耗，并假設(shè)開通關(guān)斷時(shí)間一致)，因?yàn)槠渲?t2 隨 Csnub的增大而增大，開關(guān)損耗也隨之增大。可見，從較小損耗的角度，電容越小越好。設(shè)計(jì)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(shí)用快捷的 snubber 設(shè)計(jì)方法

2.1、設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)以上的討論，下文給出一個(gè)基于上文討論等效模型的實(shí)用快捷的緩沖電路設(shè)計(jì)方法。

第一步，需要確定圖 figure 3 中的 LR和 CR。

首先測(cè)量初始振鈴頻率。

然后在 snubber 將要放置的位置上，放置一個(gè) Cadd，如圖 7 所示，因此新的可測(cè)得的振鈴頻率表達(dá)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(yīng)考慮散熱。使得電阻功率等級(jí)大于電阻上損耗。電阻損耗表達(dá)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。可選擇以式（11）作為起點(diǎn)，根據(jù)損耗情況和振幅抑制效果，進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)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(shè)計(jì)實(shí)例

以 LM5119 EVM 為例，測(cè)試條件為 VIN=16V， VOUT=10V， IOUT=1A。

第一步，通過示波器讀出開關(guān)上升沿波形，如 figure 8。可知，f1=93MHz。

在 EVM 原有的空置的snubber 位置上增加一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果效果比仿真結(jié)果略差。主要原因是 snubber 本身也會(huì)導(dǎo)入寄生電感，削弱了 snubber 的效果。因此在實(shí)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