一、什么是缓冲器？

缓冲器 是一种 对电压尖峰、振铃和振荡效应的电路保护形式 。缓冲器通过 钳位电压尖峰但不改变振铃频率。

缓冲电路设计通常都比较复杂，设计一个好的缓冲电路需要对电路有很深入的了解，这篇文章就来详细介绍一下 缓冲电路、缓冲电路设计、缓冲电路功耗计算 。

二、缓冲器电路设计的一般分类

1、有损或者散耗缓冲电路

有损缓冲电路 是一种 消耗功率的电路 ，对于电源效率要求比较高的话，这就一个很大的缺点，但是容易设计。耗散缓冲器使用 电阻 ，有时候也使 用二极管作为耗散元件 。

有损缓冲电路

2、无损或者非耗散缓冲电路

无损缓冲电路 是一种理想状态下 不会消散功率的电路 ，一般都来说比较复杂，价格也比较高，但是对于高效应用的话，这是首选。非耗散缓冲器使用 电感和电容 。

3、有损和无损缓冲器功率损耗比较

有损缓冲器 损耗 取决于缓冲器设备的选择 ， 器件选择取决于要抑制的尖峰电压和振铃频率 。对于大多数应用，耗散缓冲器损耗被最小化也能够接受，通过会用来快速设计。

无损缓冲器 在理想状态下是无损的或者不会消耗功率，但实际上没有理想的电路，所以 也会有小的损失 。

三、缓冲电路设计

缓冲器电路设计通常集中在2种常用配置中。

1、RC缓冲电路设计

从名字本身来理解，就是用 电阻和电容组成的缓冲电路 ，下面是开关MOSFET常用的缓冲器。

RC缓冲电路设计

下面为有部分采用RC缓冲电路设计的电路

1） 升压转换器拓扑

升压转换器拓扑

2） 降压转换器

降压转换器

3） DC-DC同步整流器

DC-DC同步整流器

2、RCD缓冲电路设计

也有人把这个称为RCD钳位，被叫做RCD钳位是因为RCD缓冲器会钳制电压尖峰，但不会改变尖峰或者振铃频率。

RCD缓冲器 由 电阻 、 电容 和 二极管 组成。

RCD缓冲器

下面为使用RCD缓冲器设计的电路

1） 反激式转换器

反激式转换器

2） 正向转换器

正向转换器

3、RC缓冲器工作原理

RC缓冲器 通常用于 开关转换器 ，这样可以将设备上的电压尖峰限制在安全水平。

RC缓冲器

RC 缓冲器通过修改振铃频率以及降低电压尖峰电平来工作。 电容用作电荷储存，电阻提供放电路径。

例如下面这个电路RC 缓冲器 R1 和 C1 保护 MOSFET Q1 不受漏极电压尖峰的影响。当 MOSFET 关闭时，缓冲电容将通过 R1 充电。

当 MOSFET 导通时，电容将通过 R1 放电到 MOSFET 和电路地。该循环将随着电容为空而重复。电阻是耗散功率的电阻，在单个开关周期中，有两次电流流向电阻。下图将电流称为 充电和放电电流。

充电和放电电流。

实际上， RC缓冲器能够修改振铃频率，有助于解决EMI相关问题 。在之前的设计中，在开关MOSFET和二极管上使用RC缓冲器解决了EMI的几个问题。

四、开关MOSFET中为什么会产生振铃和电压尖峰？

振铃和电压尖峰是由漏感和MOSFET输出电容的相互作用引起的 。漏感会产生电压尖峰，漏感将存储能量，但是该能量不会传输到负载所需要的系统。

下图为 中心抽头全桥整流中常见的同步整流器 ，这种电路结构在SMPS的DC-DC部分非常常见。

如下图，所需电感中的能量将转移到负载（输出侧），但是泄露能量没有地方可以去。

同步整流器

上图中的Q1和Q2不会同时工作。当 Q1 为 ON 时，Q2 为 OFF，反之亦然。可以通过仅采用如下所示的 单个 MOSFET 来简化电路。

单个 MOSFET 来简化电路

VDD 电平理想情况下是输出电平加上尖峰电平的两倍。

五、缓冲电路计算

1、RC缓冲电路中的功率损耗

RC缓冲器中功率耗损主要是电阻 。必须根据功率耗损和缓冲器有效地选择合适的电阻尺寸。电阻过高会降低功率损耗，就有可能无法提供有效的缓冲器。

如果较低的电阻可能提供有效的缓冲器，由于RC缓冲器较高的功率损耗，系统的效率会受到影响。

2、如何计算RC缓冲器电阻的功率损耗

在下面的电路中， Rsn 和 Csn 组成了 RC 缓冲器网络。 当Q1导通时，缓冲电容上的电荷会通过Rsn放电。到 Q1 关断时，电容 Csn 将通过 Rsn 充电。因此，在单个开关周期内，电流将两次通过电阻。

RC缓冲器电流放电充电

用于分析的重要波形， 电阻上的总RMS功耗取决于VRMS1 和 VRMS2。 实际上，RMS1 波形位于负 y 轴上，因为它发生在电容放电时。由于要获得RMS值，就需要在正Y轴绘制波形。

波形图

• V RMS1 – 电容放电时电阻电压波形的有效值

• V RMS2 – 电容充电时电阻电压波形的有效值

• V DRAIN – Q1 的漏极电压

• VC SN – 缓冲电容电压

• VR SN – 缓冲电阻电压

• PWM – Q1 栅极上的脉冲宽度调制信号，用于将其打开和关闭

• T——一个开关周期

• Ton——Q1 开启或 PWM 为高电平的时间

• 5RC——简单的 5 个 tau 或 5 个时间常数

• t1 – Q1 关断后电阻上的电压变为零的时间

在下面的推导中，曲线下的面积就认为是三角形为了方便积分，这样的话，计算的结果应该会比实际测试结果要高一点。下面为推导过程：

1）t1

当 Q1 关闭时，缓冲电容将充电并且其电压将呈指数上升，而缓冲电阻最初会看到非常高的电压但呈指数衰减 ，因此：

t1

• VDS – Q1 漏极电压的稳态（无尖峰）

• VDS MAX – 是峰值漏极电压（带尖峰）

2）VRMS1 _

V RMS1存在于从时间零到电容器的完全放电状态，这发生在 5 个时间常数 。

VRMS1 _

VRMS1 _

VR SN_DIS – 放电期间电阻电压的峰值电平，相当于没有尖峰的漏极电压电平。

3）VRMS2 _

V RMS2从 Q1 关闭到 t1 一直存在 。

VRMS2 _

VRMS2 _

VR SN_CHA – 充电期间电阻电压的峰值电平（带电压尖峰）

4）缓冲电阻的总 RMS 电压

缓冲电阻的总 RMS 电压

5）缓冲电阻功耗

缓冲电阻功耗

3、RC缓冲电路功率损耗示例

下面这个示例的特点是 中心抽头变压器在每个变压器支路上都有一个同步整流器 。Q1和Q2互补。（理想情况下占空比为50%，不考虑死区时间）

当 Q1 关闭时，由于 L1 和 L2 的匝数相同，漏极电压最初会出现高电压尖峰，然后稳定到 Vout 电平的两倍，在此期间 C1 将充电。

当Q1导通时，将为C1中的电荷通过R1放电提供接地路径。此时，R1 上的电压峰值正好是 Vout 的两倍加上 Q2 上的压降。

中心抽头变压器在每个变压器支路上都有一个同步整流器。

• 输出电压 = 24V

• CSN = 1nF

• RSN = 51Ω

• Fsw = 110kHz（开关频率）

• VDS MAX = 80V（测得的电压尖峰）

• V SR_DROP = 0.2V（Q1 或 Q2 导通时的估计压降）

计算过程：

4、RC缓冲电路计算功率损耗的便捷方法

上面的解决方案很复杂，需要很高的技术知识，有一个 可以使用的直接解决方案 。如果在设计上有很大余量，也是够的，因为会产生更高的功耗。如果你想要更接近实际的结果，就需要使用之前的分析。

在这种方法中，电阻中的能量等于充电和放电状态下的电容。 我更觉得是放电状态，因为很明显电容中的能量比电阻中的能量没有地方可以去，这里没有考虑MOSFETD对状态电阻的小阻尼效应。

在电容处于充电状态时，我不太同意。用这个方法，就假设电容充电和放电期间的能量时相同的，也就是电阻的能量。

电阻中的能量等于充电和放电状态下的电容

由于充放电过程的能量大小相同，所以只考虑其中一个来获取能量，这里考虑分析中的放电状态。

放电状态计算公式

考虑到 110 kHz 的开关频率和 80V 的最大漏极电压以及 1nF 的缓冲电容， 电阻上产生的功耗 为：

电阻上产生的功耗为

这种方法的结果高于以前的方法和实际或测量结果。复杂的方法（上面的方法）记录了 0.545 瓦，而这种简单方法的结果是 0.704 瓦。

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