乾貨｜盤點開關電源中的緩衝吸收電路

基本拓撲電路上一般沒有吸收緩衝電路，實際電路上一般有吸收緩衝電路，吸收與緩衝是工程需要，不是拓撲需要。

緩衝電路是控制開關器件快速上升和下降引起的瞬態尖峰的重要辦法。它們通常主要是由一些無源器件組成的網路，用來控制電路中無功元件產生的振盪。合理的緩衝電路，可以提高電路的可靠性和效率，降低EMI，並實現更高的工作頻率。緩衝器的基本目的是吸收由寄生成分引起的無功能量，並且將能量消耗掉或者將引導至能夠回收的地方。

而來自磁性器件和長PCB走線或環路中的電感，以及半導體結電容和佈線耦合，這些是無功能量的常見來源。無論如何由於根本原因通常是寄生引數的影響，所以最重要的原則是儘量減少這些寄生引數。至於怎麼樣才能做到這一點，將在後面的章節中更詳細地討論。但在這裡，我們是假設在PCB佈局已經很好地完成了接下來談論如何設計緩衝器大多數緩衝器都是針對特定的問題去設計的但是還是做一些分類可以幫助理解。第一個分類標準是將它們分成無源（只是電阻、電容、電感和二極體的組合）和有源（使用開關管）緩衝吸收電路，但另一個分類標準是看緩衝器是屬於能量耗散還是非耗散型別，第三個分類標準是控制電壓還是電流。任何時候感性元件遇到容性元件，如果還存在快速變化的電流或電壓，其結果可能就是產生振盪。

吸收與緩衝的功效：

防止器件損壞，吸收防止電壓擊穿，緩衝防止電流擊穿

使功率器件遠離危險工作區，從而提高可靠性

降低（開關）器件損耗，或者實現某種程度的關軟開

降低di/dt和dv/dt，降低振鈴，改善EMI品質

提高效率（提高效率是可能的，但弄不好也可能降低效率）

也就是說，防止器件損壞只是吸收與緩衝的功效之一，其他功效也是很有價值的。

吸收

：吸收是對電壓尖峰而言。

電壓尖峰的成因：

電壓尖峰是電感續流引起的。

引起電壓尖峰的電感可能是：變壓器漏感、線路分佈電感、器件等效模型中的感性成分等。

引起電壓尖峰的電流可能是：拓撲電流、二極體反向恢復電流、不恰當的諧振電流等。

減少電壓尖峰的主要措施是：

減少可能引起電壓尖峰的電感，比如漏感、佈線電感等

減少可能引起電壓尖峰的電流，比如二極體反向恢復電流等

如果可能的話，將上述電感能量轉移到別處。

採取上述措施後電壓尖峰仍然不能接受，最後才考慮吸收。吸收是不得已的技術措施

拓撲吸

將開關管Q1、拓撲續流二極體D1和一個無損的拓撲電容C2組成一個在佈線上儘可能簡短的吸收回路。

拓撲吸收的特點：

同時將Q1、D1的電壓尖峰、振鈴減少到最低程度。

拓撲吸收是無損吸收，效率較高。

吸收電容C2可以在大範圍內取值。

拓撲吸收是硬開關，因為拓撲是硬開關。

體二極體反向恢復吸收開關器件的體二極體的反向恢復特性，在關斷電壓的上升沿發揮作用，有降低電壓尖峰的吸收效應。

RC吸收

RC吸收的本質是阻尼吸收。

有人認為R 是限流作用，C是吸收。實際情況剛好相反。

電阻R 的最重要作用是產生阻尼，吸收電壓尖峰的諧振能量，是功率器件。

電容C的作用也並不是電壓吸收，而是為R阻尼提供能量通道。

RC吸收並聯於諧振迴路上，C提供諧振能量通道，C 的大小決定吸收程度，最終目的是使R形成功率吸收。

對應一個特定的吸收環境和一個特定大小的電容C，有一個最合適大小的電阻R，形成最大的阻尼、獲得最低的電壓尖峰。

RC吸收是無方向吸收，因此RC吸收既可以用於單向電路的吸收，也可用於雙向或者對稱電路的吸收。

RC吸收設計

RC吸收的設計方法的難點在於：吸收與太多因素有關，比如漏感、繞組結構、分佈電感電容、器件等效電感電容、電流、電壓、功率等級、di/dt、dv/dt、頻率、二極體反向恢復特性等等。而且其中某些因素是很難獲得準確的設計引數的。

比如對二極體反壓的吸收，即使其他情況完全相同，使用不同的二極體型號需要的RC吸收引數就可能有很大差距。很難推匯出一個通用的計算公式出來。

R 的損耗功率可大致按下式估算：Ps = FCU2其中U為吸收回路拓撲反射電壓。

工程上一般應該在透過計算或者

模擬

獲得初步引數後，還必須根據實際佈線在板除錯，才能獲得最終設計引數。

RCD吸收

特點：

RCD吸收不是阻尼吸收，而是靠非線性開關D 直接破壞形成電壓尖峰的諧振條件，把電壓尖峰控制在任何需要的水平。

C 的大小決定吸收效果（電壓尖峰），同時決定了吸收功率（即R的熱功率）。

R 的作用只是把吸收能量以熱的形式消耗掉。其電阻的最小值應該滿足開關管的電流限制，最大值應該滿足PWM逆程RC放電週期需要，在此範圍內取值對吸收效果影響甚微。

RCD吸收會在被保護的開關器件上實現某種程度的軟關斷，這是因為關斷瞬間開關器件上的電壓即吸收電容C上的電壓等於0，關斷動作會在C 上形成一個充電過程，延緩電壓恢復，降低dv/dt，實現軟關斷。

不適應性：

RCD吸收一般不適合反激拓撲的吸收，這是因為RCD吸收可能與反激拓撲相沖突。

RCD吸收一般不適合對二極體反壓尖峰的吸收，因為RCD吸收動作有可能加劇二極體反向恢復電流。

鉗位吸收RCD鉗位：

儘管RCD鉗位與RCD吸收電路可以完全相同，但

元件

引數和工況完全不同。RCD吸收RC時間常數遠小於PWM週期，而RCD鉗位的RC時間常數遠大於PWM週期。

與RCD吸收電容的全充全放工況不同，RCD鉗位的電容可以看成是電壓源，其RC充放電幅度的谷值應不小於拓撲反射電壓，峰值即鉗位電壓。

由於RCD鉗位在PWM電壓的上升沿和下降沿都不會動作，只在電壓尖峰出現時動作，因此RCD鉗位是高效率的吸收。

齊納鉗位：

齊納鉗位的幾種形式。

齊納鉗位也是在電壓尖峰才起作用，也是高效率吸收。

某些場合，齊納鉗位需要考慮齊納二極體的反向恢復特性對電路的影響。

齊納吸收需注意吸收功率匹配，必要時可用有源功率器件組成大功率等效電路

無損吸收

無損吸收的條件：

吸收網路不得使用電阻。

不得形成LD電流回路。

吸收回路不得成為拓撲電流路徑。

吸收能量必須轉移到輸入側或者輸出側。

儘量減少吸收回路二極體反向恢復電流的影響。

無損吸收是強力吸收，不僅能夠吸收電壓尖峰，甚至能夠吸收拓撲反射電壓，比如：

緩衝

緩衝是對沖擊尖峰電流而言

引起電流尖峰第一種情況是二極體（包括體二極體）反向恢復電流。

引起電流尖峰第二種情況是對電容的充放電電流。這些電容可能是：電路分佈電容、變壓器繞組等效分佈電容、設計不恰當的吸收電容、設計不恰當的諧振電容、器件的等效模型中的電容成分等等。

緩衝的基本方法：

在衝擊電流尖峰的路徑上串入某種型別的電感，可以是以下型別：

緩衝的特性：

由於緩衝電感的串入會顯著增加吸收的工作量，因此緩衝電路一般需要與吸收電路配合使用。

緩衝電路延緩了導通電流衝擊，可實現某種程度的軟開通（ZIS）。

變壓器漏感也可以充當緩衝電感。

LD緩衝

特點：

可不需要吸收電路配合。

緩衝釋能二極體與拓撲續流二極體電流應力相當甚至更大。

緩衝釋能二極體的損耗可以簡單理解為開關管減少的損耗。

適當的緩衝電感（L3）引數可以大幅度減少開關管損耗，實現高效率。

LR緩衝

特點:

需要吸收電路配合以轉移電感剩餘能量。

緩衝釋能電阻R的損耗較大，可簡單理解為是從開關管轉移出來的損耗。

R、L引數必須實現最佳配合，引數設計除錯比較難以掌握。

只要引數適當仍然能夠實現高效率。

飽和電感緩衝

飽和電感的電氣效能表現為對di/dt敏感。

在一個衝擊電流的上升沿，開始呈現較大的阻抗，隨著電流的升高逐漸進入飽和，從而延緩和削弱了衝擊電流尖峰，即實現軟開通。

在電流達到一定程度後，飽和電感因為飽和而呈現很低的阻抗，這有利於高效率地傳輸功率。

在電流關斷時，電感逐漸退出飽和狀態，一方面，由於之前的飽和狀態的飽和電感量非常小，即儲能和需要的釋能較小。另一方面，退出時電感量的恢復可以減緩電壓的上升速度，有利於實現軟關斷。

以Ls2為例，5u表示磁路截面積5mm2，大致相當於1顆PC40材質4*4*2的小磁芯。

飽和電感特性：

熱特性

飽和電感是功率器件，透過進入和退出飽和過程的磁滯損耗（而不是渦流損耗或者銅損）吸收電流尖峰能量，主要熱功率來自於磁芯。這一方面要求磁芯應該是高頻材料，另一方面要求磁芯溫度在任何情況下不得超過居里溫度。這意味著飽和電感的磁芯應該具有最有利的散熱特性和結構，即：更高的居里溫度、更高的導熱係數、更大的散熱面積、更短的熱傳導路徑。

飽和特性

顯然飽和電感一般不必考慮使用氣隙或者不易飽和的低導磁率材料。

初始電感等效特性

在其他條件相同情況下，較低導磁率的磁芯配合較多匝數、與較高導磁率的磁芯配合較少匝數的飽和電感初始電感相當，緩衝效果大致相當。這意味著直接採用1 匝的穿心電感總是可能的，因為任何多匝的電感總可以找到更高導磁率的磁芯配合1 匝等效之。這還意味著磁芯最高導磁率受到限制，如果一個適合的磁芯配合1 匝的飽和電感，將沒有使用更高導磁率的磁芯配合更少匝數的可能。

磁芯體積等效特性

在其他條件相同情況下，相同體積的磁芯的飽和電感緩衝效果大致相當。既然如此，磁芯可以按照最有利於散熱的磁路進行設計。比如細長的管狀磁芯比環狀磁芯、多個小磁芯比集中一個大磁芯、穿心電感比多匝電感顯然具有更大的散熱表面積。

組合特性

有時候，單一材質的磁芯並不能達到工程上需要的緩衝效果，採用多種材質的磁芯相互配合或許才能能夠滿足工程需要。