作者：Fairchild Semiconductor

電源開(kāi)關(guān)是每一種電源轉換器的核心元件。 這些元件的工作性能直接決定產(chǎn)品的可靠性和能效。 為增強電源轉換器的開(kāi)關(guān)電路性能，吸收器橫跨電源開(kāi)關(guān)，以抑制電壓尖刺以及衰減電路電感在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)造成的瞬時(shí)振蕩。 正確的吸收器設計會(huì )提升可靠性和能效并減弱 EMI。 在許多不同的吸收器中，最常見(jiàn)的吸收器是阻容 (RC) 吸收器。 本文將說(shuō)明為什么電源開(kāi)關(guān)需要吸收器。 此外，還將給出關(guān)于最佳吸收器設計的一些實(shí)用小竅門(mén)。

圖 1：電源開(kāi)關(guān)的四種基本電路。

在電源轉換器、電機驅動(dòng)器和燈泡鎮流器中會(huì )用到許多不同的拓撲結構。 圖 1 所示為電源開(kāi)關(guān)的四種基本電路。 如圖中藍色線(xiàn)框所示，這四種基本電路以及大多數電源開(kāi)關(guān)電路都采用了“開(kāi)關(guān)-二極管-電感器”網(wǎng)絡(luò )。 這種網(wǎng)絡(luò )在所有這些電路中的特性均相同。 所以，圖 2 中的簡(jiǎn)化電路可用于分析電源開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)瞬變期間的開(kāi)關(guān)性能。 既然電感器中的電流在開(kāi)關(guān)瞬變期間幾乎不變，那么如圖所示，這個(gè)電感器就可用電流源替代。 圖 2 所示為理想的“電壓和電流開(kāi)關(guān)”波形。

圖 2：簡(jiǎn)化電源開(kāi)關(guān)電路及其理想開(kāi)關(guān)波形。

當 MOSFET 開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，其自身電壓升高。 然而，電流 IL 將繼續通過(guò) MOSFET，直到開(kāi)關(guān)電壓升至 Vol。 一旦二極管導通，IL 就開(kāi)始降低。 當 MOSFET 開(kāi)關(guān)導通時(shí)，情況剛好相反，如圖所示。 這種開(kāi)關(guān)方式稱(chēng)作“硬開(kāi)關(guān)”。 在開(kāi)關(guān)瞬變期間，電路必須能同時(shí)承受最高電壓和最大電流。 因此，這種“硬開(kāi)關(guān)”方式會(huì )使 MOSFET 開(kāi)關(guān)直接承受高電氣應力。

圖 3：MOSFET 開(kāi)關(guān)關(guān)斷瞬變電壓過(guò)沖。

實(shí)際電路中，寄生電感 (Lp)、電容 (Cp) 會(huì )產(chǎn)生非常高的開(kāi)關(guān)應力，如圖 4 所示。 Cp 包括開(kāi)關(guān)的輸出電容、PCB 布局和安裝時(shí)產(chǎn)生的雜散電容。 Lp 包括 PCB 線(xiàn)路的寄生電感和 MOSFET 的引線(xiàn)電感。 這些來(lái)自功率器件的寄生電感、電容形成一個(gè)濾波器，并在關(guān)斷瞬變剛剛結束時(shí)形成諧振，所以會(huì )在器件上疊加過(guò)高的電壓瞬時(shí)振蕩，如圖 3 所示。 為抑制這種峰值電壓，可在開(kāi)關(guān)上并聯(lián)一個(gè) RC 吸收器，如圖 4 所示。 電阻值必須接近希望衰減的寄生諧振的阻抗值。 吸收器電容必須大于諧振電路電容，但又必須足夠小，以便最大程度地減小電阻器功率耗散。

圖 4：阻容吸收器配置。

如果功率耗散非關(guān)鍵指標，則可采用一種快捷的 RC 吸收器設計方法。 按照經(jīng)驗，吸收器電容器 Csnub 應兩倍于開(kāi)關(guān)輸出電容與預計安裝電容之和。 吸收器電阻器 Rsnub 則應滿(mǎn)足。 電阻 Rsnub 在給定開(kāi)關(guān)頻率 (fs) 下的功率耗散可按照下式估算： 

當這種簡(jiǎn)單的經(jīng)驗設計不能充分限制峰值電壓時(shí)，就需采取優(yōu)化措施。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 RC 吸收器：在功率耗散是關(guān)鍵指標的情況下應采用一種更優(yōu)的方法。 首先，測量 MOSFET 開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)在其節點(diǎn) (SW) 處的瞬時(shí)振蕩頻率 (Fring)。 在 MOSFET 兩端焊接一個(gè)薄膜型 100 pF、低 ESR 電容器。 增大電容值，直至瞬時(shí)振蕩頻率為原始測量值的一半。 現在，開(kāi)關(guān)的總輸出電容（增加的電容和原有寄生電容之和）增大到原來(lái)的四倍，而瞬時(shí)振蕩頻率則與電路的電感電容之積的平方根成反比例。 所以，寄生電容 Cp 是外加電容器電容值的三分之一。 現在，寄生電感 Lp 可利用下式求出：

只要求出寄生電感 Lp 和寄生電容 Cp，就可根據以下計算公式確定吸收器的電阻器 Rsnub 和電容器 Csnub。

如發(fā)現吸收器電阻器不夠大，則可以進(jìn)行微調，進(jìn)一步減少瞬時(shí)振蕩。

電阻器 Rsnub 在給定開(kāi)關(guān)頻率 (fs) 下的功率耗散為 。 

利用所有這些求出的值即可完成電源開(kāi)關(guān)吸收器設計，然后就可以在應用中實(shí)現。