开关电源之“吸收和缓冲”

时间：2021-09-18 17:55:00

关键字：开关电源

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[导读]本文主要介绍开关电源中的吸收缓冲电路。电源的基本拓扑电路上一般没有吸收缓冲电路，实际电路上一般有吸收缓冲电路，吸收与缓冲是工程需要，不是拓扑需要。吸收与缓冲的作用如下：防止器件损坏，吸收防止电压击穿，缓冲防止电流击穿；使功率器件远离危险工作区，从而提高可靠性；降低开关器件损耗，或...

本文主要介绍开关电源中的吸收缓冲电路。

电源的基本拓扑电路上一般没有吸收缓冲电路，实际电路上一般有吸收缓冲电路，吸收与缓冲是工程需要，不是拓扑需要。吸收与缓冲的作用如下：

防止器件损坏，吸收防止电压击穿，缓冲防止电流击穿；
使功率器件远离危险工作区，从而提高可靠性；
降低开关器件损耗，或者实现某种程度的软开关；
降低di/dt和dv/dt，降低振铃，改善EMI品质。

也就是说，防止器件损坏只是吸收与缓冲的作用之一。

吸收是对电压尖峰而言。电压尖峰的成因如下：

电压尖峰是电感续流引起的；
引起电压尖峰的电感可能是：变压器漏感、线路分布电感、器件等效模型中的感性成分等；
引起电压尖峰的电流可能是：拓扑电流、二极管反向恢复电流、不恰当的谐振电流等。

减少电压尖峰的主要措施有：

减少可能引起电压尖峰的电感，比如漏感、布线电感等；
减少可能引起电压尖峰的电流，比如二极管反向恢复电流等；
如果可能的话，将上述电感能量转移到别处；
采取上述措施后电压尖峰仍然不能接受，最后才考虑吸收。吸收是不得已的技术措施。

缓冲是对冲击尖峰电流而言，电流尖峰的成因如下：

引起电流尖峰的第一种原因是二极管（包括体二极管）反向恢复电流。
引起电流尖峰的第二种原因是对电容的充放电电流。这些电容可能是：电路分布电容、变压器绕组等效分布电容、设计不恰当的吸收电容、设计不恰当的谐振电容、器件的等效模型中的电容成分等等。

缓冲的基本方法：在冲击电流尖峰的路径上串入某种类型的电感，可以是以下类型：

缓冲的特性：

由于缓冲电感的串入会显著增加吸收的工作量，因此缓冲电路一般需要与吸收电路配合使用；
缓冲电路延缓了导通电流冲击，可实现某种程度的软开通（ZIS）；
变压器漏感也可以充当缓冲电感。

下面以buck电路为例，说明吸收和缓冲电路的工作流程：

当L-MOS打开时，PHASE点会出现电压尖峰。这种尖峰会对L-MOS造成威胁，导致L-MOS被烧坏或寿命大幅缩短。PHASE后的线路，由于有储能大电感的存在，瞬时变化的电流I不能通过电感。所以对瞬时（高频）电压电流而言，其路径只能是通过L-MOS。实际电路中多余的能量大部分是由L-MOS的内阻消耗的。由于等效电容很小，所以多余能量（电荷）能够在电容两端造成较大的电压。所以减小电压尖峰的方法是减小流入等效电容的电荷数量。

RC-snubber电路从两个方面去解决电压尖峰的问题：

对PHASE点电压等于输入电压时的电感电流分流，这样使得流入L-MOS等效电容的电流大大减小。而snubber电容的容值选取较大，吸收了多余的能量后产生的电压不会太大。这样使得PHASE点的电压尖峰减小。
RC中的电阻起到阻尼作用，将谐振能量以热能消耗掉。

RC-snubber电路的好处有：

增强phase点的信号完整性。
保护L-MOS提高系统可靠性。
改善EMI。

RC-snubber电路的坏处：

PHASE点电压等于输入电压时需要更多的能量，所以在每次开关时都要消耗更多的能量，降低了电源转换效率。
RC选取不好就会起反作用。