Buck 电路中 snubber 的引入和参数计算

1. Snubber 电路的引入
   开关电源电路在开关动作瞬间产生的开关振铃，是由寄生参数引起的。以 Buck 电路开关节点（两个开关与电感交汇点）的典型波形为例，在上管开通瞬间会出现不同程度的振铃。振铃的存在会带来诸多危害，一方面可能使开关管承受过高电压而击穿，另一方面高频振铃及其伴随的高 dV/dt 会引发 EMI 问题，导致终端产品无法通过 EMI 标准测试，甚至干扰开关电源自身或临近电路的正常工作。因此，抑制开关振铃是开关电源设计中的重要环节。常见的抑制措施包括优化布线以减小线路寄生参数、选用反向特性好的器件、降低开关速度以及在振铃回路中放置 snubber 等。其中，snubber 是最为常用的手段，特别是在其他措施受客观因素限制无法达到最佳效果时。Snubber 不仅能改变振铃频率，其电容效应还会降低开关节点的 dV/dt，从而有效抑制 EMI。本文以 LM5119 为例讨论 Buck 电路的 snubber 相关问题，其设计思路和方法也适用于其他非隔离拓扑。

1. 包含寄生参数的振铃回路等效
   Figure 2 展示了包含主要寄生电感和电容的 Buck 电路，RC snubber（R 和 Csnub）放置在开关节点和 GND 节点之间，主要用于抑制上管开通瞬间的振铃，而该振铃正是绝大多数过压问题和 EMI 问题的根源。由于开关过程在极短时间（从数个纳秒至数十个纳秒）内完成，在此期间电感 L 的电流几乎不变，所以 L 和 Lp2（包括串联的 Lp6）不参与振铃。当振铃幅值超过 Vi 后，上管 MOSFET 的沟道完全打开，CQ 被短路，也不参与振铃。最终的振铃回路由图 3 左虚线方框中电路组成，可等效成图 3 中的 LC 谐振电路，新的 LR 和 CR 为 Lp1、Lp5、Lp3、Lp4、CD 等所有参与振铃的寄生感容的复合值。通常 Snubber 的 Csnub 取值在数 nF 以上，在振铃频率 fR（加了 snubber 后）下的阻抗很小，而 R 一般在数欧姆以上，故 figure 3 左可进一步近似等效为 figure 3 右。
2. 等效模型下的 snubber 参数计算
   由 figure 3 电路可得到相关公式，为使电路为阻尼振铃，R 的取值有特定要求。Figure 4 给出了不同电阻值的仿真对比，仿真条件为：Lp1 = Lp5 = 10nH，Lp3 = Lp4 = 2nH，Csnub = 10nF，CD = 200pF。同时，Csnub 越大，在 RC snubber 并联到 CR 后，实际等效的 CR 会更大，意味着同样的阻尼电阻对振铃抑制效果越好。Figure 5 给出了在相同 R（R = 2.2Ohm，其他电路寄生参数如前文）下，不同 Csnub 的仿真结果，显示电容越大，抑制振铃振幅效果越好。但当电容达到一定程度后，电容的增加对振铃抑制效果并不显著，这是因为在 RCsnubber 支路，电路电抗为 R + 1/(j * 2πfR * Csnub)，当 C 使得 1/(j * 2πfR * Csnub) << R 时，C 的进一步增大对电路影响可忽略不计。此外，Csnub 越大，Buck 电路的损耗会越大，效率会越差，损耗包括 snubber 电阻上的损耗和 MOSFET 开关损耗。因此，从较小损耗的角度，电容越小越好，设计者需要在控制功耗和抑制振铃之间找到平衡。

一种实用快捷的 snubber 设计方法

1. 设计步骤
   • 确定 LR 和 CR：首先测量初始振铃频率，然后在 snubber 将要放置的位置上放置一个 Cadd，测量新的振铃频率。通过这两个频率的表达式联立，可解得 LR 和 CR。
   • 选取合适的 R 值：使 R 值近似满足特定要求，同时要考虑电阻的封装以保证散热，电阻功率等级应大于电阻上的损耗。
   • 选择合适的电容值 Csnub：电容值的选择是振幅抑制和控制损耗的折中。可先以式 (11) 为起点，根据损耗情况和振幅抑制效果进行调整，增大电容可抑制振幅，减小电容可提高效率。
2. LM5119 EVM 缓冲电路设计实例
   以 LM5119 EVM 为例，测试条件为 VIN = 16V，VOUT = 10V，IOUT = 1A。通过示波器读出开关上升沿波形，得到初始振铃频率 f1 = 93MHz。在 EVM 原有的空置 snubber 位置上增加一个新的 220pF 的电容后，新的振铃频率 f2 = 75MHz。由此可解得 LR = 7.5nH，CR = 387pF。根据公式可取 R = 2.2 欧姆，再由式 (11) 选择接近的 Csnub = 3.3nF。最后得到的振铃波形如 figure 10 所示，振铃幅度大大减弱。但实验结果效果比仿真结果略差，主要原因是 snubber 本身会导入寄生电感，削弱了 snubber 的效果。因此，在实际操作中，snubber 电路需要尽量选择高频特性好的。

总结