非同步降压型开关电源Buck Converter的局部电路图,图中重点标出的是加在续流二极管两端的RC吸收电路Snubber Circuit。
结合图中的吸收电容字样,我们重点分析这个RC吸收电路的工作原理以及它在整个电路中的作用。
基础电路部分
MOS管左下:主开关管,受PWM信号控制高频导通与关断。
电感L上方:储能元件,平滑电流。
二极管中间:续流二极管。当MOS管关断时,电感电流通过这个二极管继续流动续流。因为这里用的是二极管而不是另一个MOS管,所以叫非同步降压。
Csnub 和 Rsnub右侧:这就是RC吸收电路,并联在二极管两端。
为什么需要RC吸收电路?
在开关电源中,二极管在导通和关断的瞬间,存在反向恢复过程。
当MOS管突然导通时,二极管需要从导通瞬间变为截止。
此时二极管内部积累的电荷需要释放,会产生一个瞬间的反向电流尖峰。
这个突变的电流会与电路中的寄生电感,如走线电感、元件引脚电感发生剧烈反应,产生极高的电压尖峰Voltage Spike。
高频且剧烈的电压尖峰会导致严重的电磁干扰EMI,甚至可能击穿二极管或MOS管。
吸收电容RC Snubber的工作原理
RC吸收电路的本质是一个高频低通滤波器,主要通过吸收和消耗两个动作来工作:
电容 Csnub吸收:电容两端的电压不能突变。当二极管两端出现瞬间的电压尖峰高频振荡时,电容 Csnub 会立刻表现出极低的阻抗,将尖峰能量迅速吸收并储存在自己内部,从而削平了电压尖峰,保护了二极管。
电阻 Rsnub消耗:如果只有电容,电容和电路中的寄生电感会形成 LC 振荡电路,导致电压波形出现振铃Ringing。串联的电阻 Rsnub 起到了阻尼Damping作用,它把电容吸收来的高频能量转化为热能消耗掉,从而抑制了高频振荡。
总结它的核心作用:
抑制电压尖峰:降低开关瞬间的电压应力,保护二极管不被击穿。
降低电磁干扰EMI:消除或减弱高频振铃,使电路更容易通过电磁兼容性测试。
减小开关损耗:虽然吸收电阻会消耗一点能量,但能减少因高频振荡带来的额外损耗。

开关管判断瞬间图

RC吸收电路或RCD钳位电路在开关管关断瞬间的电压钳位效果。
波形图解析SW节点电压对比
红色虚线无RCD:当开关管关断时,SW节点电压瞬间飙升,产生一个极高的尖峰超过安全线,随后因为寄生参数产生高频振荡振铃。
蓝色实线有RCD:电压上升过程变缓,并且最高点被死死钳位限制在一条安全线上Vclamp,完全没有产生危险的过冲振荡。
下方四个步骤的工作原理拆解:
关断瞬间
动作:开关管MOS突然截止。
物理现象:根据楞次定律,电感中的电流不能突变。原本流过MOS管的电流必须找地方走,这导致SW节点电压急剧上升,产生尖峰。
二极管导通
动作:当SW点电压飙升,超过了右侧吸收电容C的电压时,续流二极管D被迫正向导通。
能量流向:原本要产生高压尖峰的能量,被导向了吸收电容C中。此时二极管起到了“引导”能量的作用。
电容钳位
动作:电容C开始吸收这股突发的能量。
作用原理:因为电容两端的电压不能突变,它吸收了能量后,电压缓慢上升。这极大地限制了电压的变化率限制 dv/dt。最终,尖峰电压被钳位在安全电压Vclamp以内,保护了开关管不被击穿。
电阻泄放
动作:在接下来的开关周期比如开关管导通时,电容C里存满的能量必须释放掉。
能量消耗:与电容串联的电阻R此时发挥作用,将电容里的能量转化为热能消耗掉泄放。这样电容就清零了,为下一次开关管关断时重新吸收尖峰做好了准备。
总结
非同步降压电路中,MOS管导通瞬间,续流二极管会发生反向恢复,产生瞬间反向电流,与寄生电感作用形成高压尖峰和严重EMI。
并联在二极管两端的RC吸收电路(Snubber)正是为解决此问题:
Csnub电容:利用电压不能突变特性,瞬间吸收尖峰能量,削平过压。
Rsnub电阻:起阻尼作用,消耗吸收的能量并转化为热能,抑制LC高频振铃。
核心作用:极大降低电压应力以保护二极管和MOS管,显著削弱高频干扰EMI,并减少因振荡导致的额外开关损耗。
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