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正确的 RC 缓冲电路设计
在使用外部功率 MOSFET 切换大电流以驱动 BLDC 电机时，常常会产生振铃，从而引发电磁干扰（EMI）、电路抖动、过高的功率耗散以及器件应力过大等问题。这种现象通常来源于印刷电路板（PCB）中的寄生电感和寄生电容，特别是在高侧与低侧 MOSFET 之间的承载大电流的相线网络中。电感与电容会构成 LC 谐振回路，在开关瞬间产生谐振。
图 1 – 由 LC 谐振回路引起的电机相输出端振铃
为抑制相输出端的振铃，可以使用一种简单的电阻-电容（RC）缓冲电路来“吸收”或阻尼振荡。消除振荡有助于降低潜在的 EMI，并通过减少电压过应力来延长 MOSFET 的使用寿命。RC 缓冲器应尽可能靠近每个 MOSFET 的漏极与源极连接处并联放置。
图 2 – RC 缓冲器
为计算 RC 缓冲电路的电阻（Rsnub）和电容（Csnub）值，我们将采用一个七步法，通过改变 MOSFET 振铃的谐振频率来推算电路的寄生电容（C₀）和电感（L）。一旦得到这两个参数，即可用于推导 RC 缓冲器的取值。下面的示例展示了在 DRV8343-Q1 EVM 上，紧邻 CSD18540Q5B MOSFET（Qgd = 6.8 nC）添加 RC 缓冲器的情况。
计算 R-C 吸收电路（缓冲电路）的七个步骤（含示例）
| 步骤 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 第 1 步 | 测量无 RC 缓冲电路时 (V_{DS}) 振铃的振荡频率 ((f_0))。参见图 3。 | (f_0 = \frac{1}{82ns} = 12.2\ MHz) |
| 第 2 步 | 在整流器或 MOSFET 两端并联一个电容 ((C_1))，并测量偏移后的振荡频率 ((f_1))。选择一个 (C_1) 值，使其比数据手册中整流器在完全反向电压下的典型电容值大数倍。在此例中，整流器的电容为 22pF，因此我为 (C_1) 选择了 100pF 的值。至少 50% 的频率偏移是合理的。参见图 4。 | (C_1 = 100pF) (f_1 = \frac{1}{90ns} = 11.1MHz) |
| 第 3 步 | 计算频率偏移比：(m = \frac{f_0}{f_1}) | (m = \frac{12.2\ MHz}{11.1\ MHz} = 1.1) |
| 第 4 步 | 计算电路的寄生电容： (C_0 = \frac{C_1}{(m^2-1)}) |
(C_0 = \frac{100pF}{(1.1^2 - 1)} = 0.48nF) |
| 第 5 步 | 计算电路的寄生电感： (L = \frac{(m^2-1)}{(2\pi f_0)^2 C_1}) |
(L = \frac{(1.1^2 - 1)}{(2\pi \cdot 12.2MHz)^2 (100pF)} = 0.36\mu H) |
| 第 6 步 | 计算起始缓冲电容值： (C_{snub} = 3C_0) |
(C_{snub} = 3(0.48nF) = 1440pF) |
| 第 7 步 | 计算起始缓冲电阻值： (R_{snub} = \sqrt{\frac{L}{C_0}}) |
(R_{snub} = \sqrt{\frac{0.36\mu H}{0.48nF}} = 27\Omega) |
图 3 – 未加 RC 缓冲器时测量 VDS 振铃的原始谐振频率 f₀
图 4 – 添加 C₀ = 100 pF 后测量 VDS 振铃的新频率 f₁
图 5 – 使用计算所得 RC 缓冲器值后，MOSFET 振铃得到有效阻尼
图 5 展示了利用计算出的 RC 缓冲器值所实现的尖峰降低与阻尼效果。通过调整 Csnub 的取值，可以增大或减小振铃幅度：较大的 Csnub 值可进一步降低电压尖峰幅值，但会增加 Rsnub 上的功率损耗；反之，降低 Csnub 值可以减少 Rsnub 上的功率耗散，但振铃会随之增强。因此，必须在可接受的电压振铃幅度与 Rsnub 损耗之间做出权衡。
如果在吸收振铃之后，VDS 开关瞬间仍出现正向或负向电压瞬变，可以降低灌入 MOSFET 栅极的源电流，或减小从 MOSFET 栅极抽取的灌电流。这样做将延长 MOSFET 的开关上升与下降时间，从而降低最大瞬变尖峰。在关断 MOSFET 时，务必留意负向电压瞬变，确保其不超过栅极驱动器件的最大负向瞬态规格。