功率开关的RC

在高频功率开关电路中，如何处理开关噪声是设计人员所面临的共同挑战。特别是在高边MOS导通低边MOS关断的情况下。低边MOS关断过程中，体二极管产生一个反向恢复电流，然后随高边MOS导通突然截止。由于电路中的寄生电感，反向恢复电流会在电路中循环，直至衰减，这将导致电压过冲和振荡。如果过冲足够大，低边MOS可能误导通或雪崩击穿。另一方面，振荡可能会引起接地的负尖峰，这些尖峰可能会耦合到负载中的敏感电子元件，从而导致元件故障（低边MOS 关断时的VDS波形见下图）。

解决思路

一个解决思路是采用集成肖特基体二极管的MOS，其具有更低的反向恢复时间与反向恢复电荷Qrr，从而减少振荡电路能量，提高死区内的电路效率（当MOS截止时，横跨它的电压上升。同时，反向电流IL将持续流过MOS，直到开关电压达到Vol。一旦二极管打开，反向电流IL开始下降）。
此外，在高边MOS关断到低边MOS导通的死区内，负载电感续流是通过低边MOS体二极管实现的，集成肖特基二极管的MOS也可以有效降低PHASE点的负压尖峰（如下图所示-0.7V –> -0.3V）。

图1：并联肖特基二极管的MOS开关电路

在开关电路中，减少开关噪声的最佳方法是减小寄生电感，寄生电感来源于开关器件与输入电容长走线，此外封装内的键合线也会产生一定电感，因此我们应该遵循良好的走线规范，比如输入电容靠近开关器件，最小化电源回路面积，或者采用低寄生电感封装器件等。

然而，在实际电路中我们无法完全消除寄生电感，在大型复杂系统中做一个理想的布局可能并不容易，通常开关应力要高得多，振荡问题的实际解决方案是跨相RC SNUBBER电路。这里我们将介绍RC SNUBBER电路及其设计方法。

电路原理

那么造成电压尖峰与振荡的原因是什么呢？为了更准确说明电路的工作情况，下图列举了一个开关电路的等效模型图。

图2：开关电路 RC SNUBBER电路

其中，所有寄生电感都集中在一起，合并为Lckt（包括走线电感和封装电感）。与Lckt并联的寄生电容主要来自于低边MOS关断状态下的输出电容Coss。当没有SNUBBER电路时，由于有负载电感的存在，高边MOS开通瞬间变化的电流I不能进入红框内，所以对于瞬时电流而言，其路径只能通过低边MOS。总结一下，电压尖峰是由于寄生电感电流不能瞬变，电流给低边MOS Coss电容充电造成的，而振荡是由于电容和电感谐振造成的。

下图显示了电路中没有任何SNUBBER的严重振荡现象，电压过冲是输入电压的三倍，并且伴有振荡。

图3：开关过冲与振荡

由于Coss电容较小，多余的电荷能够在电容两端产生较大电压。所以减小电压过冲的方法是减小输入电荷数量或增大并联电容，对于振荡则可以选择阻尼电阻减少振荡次数，分流低边MOS电流。

图4：SNUBBER电路的分流作用

总结：
RC-SNUBBER电路是从两个方面来解决过冲振荡问题：
1、对输入电流分流，流经Coss的电流大大减少，而SNUBBER电容较大，吸收电荷后的电压变化不会太大，这样使得电压过冲减小；
2、SNUBBER电阻起到阻尼作用，将振荡能量以热量消耗掉。

我们接下来将计算Rsnub和Csnub的值以及Rsnub电阻的额定功率。

Rsnub计算

从阻抗匹配理论可知，当LC谐振电路Q值为1时，SNUBBER电阻的最佳值为LC电路的特征阻抗即（根号）SQRT (Lckt /Coss)，过小的SNUBBER电阻振荡不易消除，过大的SNUBBER电阻则会阻碍SNUBEER电路吸收电流的的能力，增大PHASE点的电压过冲。

在这种情况下，Coss电容值可从MOS数据手册中得到，但寄生电感Lckt分布在PCB板上，很难预测。确定Lckt的一个实用方法是观察振荡波形并测量其频率，上图的波形显示振荡频率为118 MHz，周期8.5 ns。Lckt通过如下公式计算得到：

AOD484 datasheet显示，在Vds = 15V时Coss值为142 pF。Coss是VDS的函数，随VDS降低而显著升高（一般与VDS平方呈反比）。
从特性曲线可以看出，在VDS=5V时，Coss接近220 pF。
利用该值，Lckt计算为8.3 nH，SNUBBER电路的特性阻抗为SQRT (Lckt /Coss)~=6Ohm，即用来衰减振荡的理想电阻值。
考虑到电路中已经存在一些寄生电阻，我们可以选择5Ohm作为Rsnub。

图5：Coss随VDS变化曲线

Csnub计算

SNUBBER电容需要进行trade-off，一般情况下要大于Coss，较大电容会提供强衰减并减少振荡数量，但是电容也储存1 / 2 CV^2的能量，并且每次循环消耗，这对效率有影响。一般选择寄生电感Lckt中存储的能量E=1/2 LI ^2=1/2 CV^2，经验性的做法是使Rsnub x Csnub时间常数为振荡周期的3或3以上的倍数。

经过计算，Csnub为4.7 nF，实际选择了10nf的值来提供额外的衰减。下面左图为2nf 1Ohm的效果，右图为10 nF 5Ohm的效果。

图6：不同Csnub的吸收结果

.Rsnub功率计算

最终确定电阻的封装，电阻封装要求是能够承受存储在电容中的能量：

Fsw是MOS的开关频率，而不是振荡的频率。在实例中，开关频率是300 kHz，功率损耗为37 mW，小于输出功率的0.5%，电阻附近建议大面积铺铜，以提供更好的散热。由上述公式可知，右图虽然实现了更少的振铃，但是也牺牲了一定的效率。当然上述公式也可以根据功耗要求Psnub反向计算Csnub电容容值。

RC的摆放

SNUBBER电路的位置选择应该靠近PHASE点，拆分寄生电感一共有四个（如下图），对低边MOS产生影响的是上面的三个电感，对于高边MOS产生影响的是最上面的一个电感，实际情况下SNUBBER电路无法保护第三个电感造成的过压，可吸收效果却很好，这通常是由于大多数MOS的漏极较宽，漏极寄生电感较小。

图7：寄生电感的拆分

总结

最后，总结RC-SNUBBER电路的优点有：
1、增强PHASE点的信号完整性；
2、保护低边MOS，提高可靠性；
3、改善EMI；

缺点有：
1、RC消耗能量，降低了电源转换效率；
2、RC选取不好有可能产生反作用；

电路中的寄生电感分布在整个PCB上，包括封装电感。
虽然上述能够计算出寄生参数的有效值，但没有办法测量寄生的实际参数。减少过冲和振荡的最佳方法是通过良好的布局将电路中寄生电感降到最低，或在低边选择合适的具有低电感封装或集成肖特基体二极管的MOS。
当电路效率限制Csnub无法选择过大，且RC-SNUBBER无法抑制足够高的电压过冲时，则需要RCD-SNUBBER电路。

---