如何解決Buck電路SW過沖問題？

EDN電子技術設計 2026-01-13 11:26

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本應用報告首先給出了降壓式開關電路（buck）在上管開通瞬間的的一個等效諧振回路模型。根據該模型推導出使得開關振鈴最小化的阻容緩沖電路（snubber）的參數計算公式，并結合參數公式給出了一套 snubber 電路的快速設計方法，最后以 LM5119 的 EVM 為例給出了 snubber的設計過程和結果。

1、Buck 電路中snubber 的引入和參數計算

1.1、Snubber 電路的引入

由于寄生參數的存在，開關電源電路在開關動作瞬間會產生開關振鈴。Figure 1 為 buck 電路開關節點（兩個開關與電感交匯點）的典型波形，可見在上管開通瞬間都有不同程度的振鈴。

振鈴的存在，可能使得開關管承受的電壓超過其耐壓值而發生擊穿；另一方面，開關振鈴為遠超開關頻率的高頻振鈴，并伴隨很高的 dV/dt，會帶來傳導和輻射的 EMI 問題，可能會使得終端產品不能通過 EMI 標準測試，更嚴重時甚至會干擾開關電源自身的信號電路或臨近的其他功能電路的正常工作。所以盡可能地抑制開關振鈴是開關電源設計中一個很重要的環節。

常見的措施，包括布線的優化減小線路寄生參數；選用二極管反向特性好的器件；降低開關速度；在振鈴回路中放置 snubber 等。其中，snubber 是最為常用的手段，特別是在以上其他措施因客觀因素的限制而不能達到最佳效果時。Snubber 不僅能改變振鈴頻率，同時其電容效應會降低開關節點的 dV/dt，從而有效抑制 EMI。

本文以 LM5119 為實例討論buck 電路的 snubber 的相關問題，但同樣的設計思路和方法可以推導到其他非隔離拓撲中。

1.2、包含寄生參數的振鈴回路等效

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）放置在開關節點和GND 節點之間。該電路主要用來抑制上管開通瞬間的振鈴，而該振鈴正是絕大多數過壓問題和 EMI 問題的源泉。

首先由于開關過程在極短時間（從數個納秒至數十個納秒）完成，在此過程中電感 L 的電流幾乎不變，故 L 和 Lp2（包括串聯的 Lp6）不參與振鈴。

其次，在振鈴使得幅值超過 Vi后，上管 MOSFET 的溝道已完全打開，CQ被短路，也不參與振鈴。故最終的振鈴回路由圖 3 左虛線方框中電路組成。該電路可等效成圖 3 中 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合值。通常 Snubber 的 Csnub取值在數 nF 以上，在振鈴頻率 fR（加了 snubber 后）下的阻抗很小。

以Csnub=2.2nF, fR=150MHz 為例，阻抗為 1/(j*2πfR*Csnub)=-0.48j?。而 R 一般在數歐姆以上，故 figure 3左可進一步近似等效為 figure 3 右。

1.3、等效模型下的 snubber 參數計算

由 figure 3 電路，可得到：

故為使電路電路為阻尼振鈴，R 的取值為：

Figure 4 給出了不同電阻值的仿真對比。仿真條件為：Lp1=Lp5=10nH，Lp3=Lp4=2nH, Csnub=10nF，CD=200pF

同時，Csnub越大，在 RC snubber并聯到CR后，實際等效的 CR會更大，意味著同樣的阻尼電阻對振鈴抑制效果越好。

Figure 5 給出了在相同 R（R=2.2Ohm，其他電路寄生參數如前文）下，不同 Csnub的仿真結果。電容越大，抑制振鈴振幅效果越好。

而且當電容達到一定程度大小以后，電容的增加給振鈴抑制的效果并不顯著，比如圖 x 中 2500pF 和 3500pF 對應的振幅對比。究其原因，在 RCsnubber 支路，電路電抗為 R+1/(j*2πfR*Csnub)，當 C 達到使得 1/(j*2πfR*Csnub)<<R 時，此后 C 的進一步增大對電路幾乎忽略不計。