在開關(guān)電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Buck 電路（降壓式開關(guān)電路）是一種常用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，由于寄生參數(shù)的存在，Buck 電路在開關(guān)動(dòng)作瞬間會(huì)產(chǎn)生開關(guān)振鈴，這不僅可能導(dǎo)致開關(guān)管承受的電壓超過其耐壓值而發(fā)生擊穿，還會(huì)帶來傳導(dǎo)和輻射的 EMI（電磁干擾）問題，影響終端產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。因此，如何有效解決 Buck 電路 SW（開關(guān)節(jié)點(diǎn)）過沖問題，成為了電子工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。

Buck 電路中 snubber 的引入和參數(shù)計(jì)算

1. Snubber 電路的引入
   開關(guān)電源電路在開關(guān)動(dòng)作瞬間產(chǎn)生的開關(guān)振鈴，是由寄生參數(shù)引起的。以 Buck 電路開關(guān)節(jié)點(diǎn)（兩個(gè)開關(guān)與電感交匯點(diǎn)）的典型波形為例，在上管開通瞬間會(huì)出現(xiàn)不同程度的振鈴。振鈴的存在會(huì)帶來諸多危害，一方面可能使開關(guān)管承受過高電壓而擊穿，另一方面高頻振鈴及其伴隨的高 dV/dt 會(huì)引發(fā) EMI 問題，導(dǎo)致終端產(chǎn)品無法通過 EMI 標(biāo)準(zhǔn)測試，甚至干擾開關(guān)電源自身或臨近電路的正常工作。因此，抑制開關(guān)振鈴是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。常見的抑制措施包括優(yōu)化布線以減小線路寄生參數(shù)、選用二極管反向特性好的器件、降低開關(guān)速度以及在振鈴回路中放置 snubber 等。其中，snubber 是最為常用的手段，特別是在其他措施受客觀因素限制無法達(dá)到最佳效果時(shí)。Snubber 不僅能改變振鈴頻率，其電容效應(yīng)還會(huì)降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)的 dV/dt，從而有效抑制 EMI。本文以 LM5119 為例討論 Buck 電路的 snubber 相關(guān)問題，其設(shè)計(jì)思路和方法也適用于其他非隔離拓?fù)洹?/li>

1. 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，主要用于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 問題的根源。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）內(nèi)完成，在此期間電感 L 的電流幾乎不變，所以 L 和 Lp2（包括串聯(lián)的 Lp6）不參與振鈴。當(dāng)振鈴幅值超過 Vi 后，上管 MOSFET 的溝道完全打開，CQ 被短路，也不參與振鈴。最終的振鈴回路由圖 3 左虛線方框中電路組成，可等效成圖 3 中的 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，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。
2. 等效模型下的 snubber 參數(shù)計(jì)算
   由 figure 3 電路可得到相關(guān)公式，為使電路為阻尼振鈴，R 的取值有特定要求。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，顯示電容越大，抑制振鈴振幅效果越好。但當(dāng)電容達(dá)到一定程度后，電容的增加對(duì)振鈴抑制效果并不顯著，這是因?yàn)樵?RCsnubber 支路，電路電抗為 R + 1/(j * 2πfR * Csnub)，當(dāng) C 使得 1/(j * 2πfR * Csnub) << R 時(shí)，C 的進(jìn)一步增大對(duì)電路影響可忽略不計(jì)。此外，Csnub 越大，Buck 電路的損耗會(huì)越大，效率會(huì)越差，損耗包括 snubber 電阻上的損耗和 MOSFET 開關(guān)損耗。因此，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平衡。

一種實(shí)用快捷的 snubber 設(shè)計(jì)方法

1. 設(shè)計(jì)步驟
   • 確定 LR 和 CR：首先測量初始振鈴頻率，然后在 snubber 將要放置的位置上放置一個(gè) Cadd，測量新的振鈴頻率。通過這兩個(gè)頻率的表達(dá)式聯(lián)立，可解得 LR 和 CR。
   • 選取合適的 R 值：使 R 值近似滿足特定要求，同時(shí)要考慮電阻的封裝以保證散熱，電阻功率等級(jí)應(yīng)大于電阻上的損耗。
   • 選擇合適的電容值 Csnub：電容值的選擇是振幅抑制和控制損耗的折中?？上纫允?(11) 為起點(diǎn)，根據(jù)損耗情況和振幅抑制效果進(jìn)行調(diào)整，增大電容可抑制振幅，減小電容可提高效率。
2. LM5119 EVM 緩沖電路設(shè)計(jì)實(shí)例
   以 LM5119 EVM 為例，測試條件為 VIN = 16V，VOUT = 10V，IOUT = 1A。通過示波器讀出開關(guān)上升沿波形，得到初始振鈴頻率 f1 = 93MHz。在 EVM 原有的空置 snubber 位置上增加一個(gè)新的 220pF 的電容后，新的振鈴頻率 f2 = 75MHz。由此可解得 LR = 7.5nH，CR = 387pF。根據(jù)公式可取 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，振鈴幅度大大減弱。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果效果比仿真結(jié)果略差，主要原因是 snubber 本身會(huì)導(dǎo)入寄生電感，削弱了 snubber 的效果。因此，在實(shí)際操作中，snubber 電路需要盡量選擇高頻特性好的電阻電容。

總結(jié)

解決 Buck 電路 SW 過沖問題對(duì)于提高開關(guān)電源的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過合理引入 snubber 電路并準(zhǔn)確計(jì)算其參數(shù)，以及采用實(shí)用快捷的設(shè)計(jì)方法，可以有效抑制開關(guān)振鈴，降低 EMI 干擾，同時(shí)平衡好功耗和振鈴抑制之間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，還需考慮實(shí)際電路中的各種因素，如寄生電感等，選擇合適的元器件，以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。