Power

Calculateur de snubber RC — amortir les oscillations du nœud de commutation en deux mesures

Dimensionnez un snubber RC d'amortissement à partir des oscillations que vous mesurez : la fréquence d'oscillation seule, puis avec un condensateur connu ajouté, donne la capacité et l'inductance parasites, la résistance et le condensateur du snubber, la puissance dissipée dans la résistance et la constante de temps, comparée au temps de conduction minimal.

Loading calculator...

Formule

C_p = \frac{C_{add}}{(f_0/f_1)^2 - 1},\quad L_p = \frac{1}{(2\pi f_0)^2 C_p},\quad R_s = \sqrt{\frac{L_p}{C_p}},\quad C_s = n\,C_p,\quad P = C_s V^2 f_{sw},\quad \tau = R_s C_s

Référence: Todd, Snubber Circuits: Theory, Design and Application, Unitrode (1993), TI SLUP100, pp. 2-4 and 2-5

f_0, f_1— Fréquence d'oscillation sans et avec le condensateur de test ajouté (MHz)

C_{add}— Capacité de test ajoutée (pF)

C_p, L_p— Capacité et inductance parasites de la boucle oscillante (pF, nH)

R_s— Résistance du snubber, égale à l'impédance caractéristique de la boucle (Ω)

C_s, n— Condensateur du snubber et son multiple de C_p (pF)

V, f_{sw}— Tension commutée et fréquence de commutation (V, kHz)

Formule

C_p = \frac{C_{add}}{(f_0/f_1)^2 - 1},\quad L_p = \frac{1}{(2\pi f_0)^2 C_p},\quad R_s = \sqrt{\frac{L_p}{C_p}},\quad C_s = n\,C_p,\quad P = C_s V^2 f_{sw},\quad \tau = R_s C_s

Référence: Todd, Snubber Circuits: Theory, Design and Application, Unitrode (1993), TI SLUP100, pp. 2-4 and 2-5

f_0, f_1— Fréquence d'oscillation sans et avec le condensateur de test ajouté (MHz)

C_{add}— Capacité de test ajoutée (pF)

C_p, L_p— Capacité et inductance parasites de la boucle oscillante (pF, nH)

R_s— Résistance du snubber, égale à l'impédance caractéristique de la boucle (Ω)

C_s, n— Condensateur du snubber et son multiple de C_p (pF)

V, f_{sw}— Tension commutée et fréquence de commutation (V, kHz)

P, τ— Puissance dans la résistance et constante de temps du snubber (W, ns)

Comment ça marche

Lorsqu'un MOSFET ou une diode se bloque, la tension à ses bornes oscille (ringing). L'inductance parasite de la boucle qui entoure l'interrupteur (pistes, broches du boîtier, inductance de fuite d'un transformateur) échange de l'énergie avec la capacité aux bornes de l'interrupteur (sa capacité de sortie, la jonction de la diode, le routage), et comme cette boucle n'a presque aucune résistance, les oscillations durent de nombreux cycles, dépassent la tension d'alimentation et rayonnent. Un snubber RC (circuit d'amortissement) placé aux bornes de l'interrupteur les amortit : une résistance égale à l'impédance caractéristique de la boucle absorbe l'énergie, et un condensateur en série avec elle empêche la résistance de dissiper de la puissance en courant continu.

Mesurer la boucle parasite

L'inductance et la capacité sont rarement assez bien connues pour être calculées, mais elles se mesurent. Relevez la fréquence d'oscillation $f_0$ sans snubber, puis placez un condensateur connu $C_{add}$ aux bornes de l'interrupteur et relevez la nouvelle fréquence $f_1$ . L'inductance n'a pas changé, donc

\left(\frac{f_0}{f_1}\right)^2 = 1 + \frac{C_{add}}{C_p}, \qquad C_p = \frac{C_{add}}{(f_0/f_1)^2 - 1}

Si le condensateur ajouté divise la fréquence par deux, la capacité du circuit a quadruplé et $C_p$ vaut exactement le tiers de $C_{add}$ : c'est la procédure que donne Todd dans « Snubber Circuits: Theory, Design and Application » (Unitrode, 1993). L'inductance et l'impédance caractéristique s'en déduisent :

L_p = \frac{1}{(2\pi f_0)^2 C_p}, \qquad Z_0 = \sqrt{\frac{L_p}{C_p}}

Dimensionner le snubber

Une résistance de snubber égale à $Z_0$ amortit la boucle au voisinage de $Q = 1$ . Le condensateur du snubber doit être plus grand que $C_p$ pour que la résistance prenne le contrôle des oscillations ; Todd recommande deux à quatre fois $C_p$ . Un condensateur plus grand amortit davantage mais coûte de la puissance, car il se charge à la tension commutée $V$ puis se décharge, une fois chacun par cycle, et l'énergie $\tfrac{1}{2}C_sV^2$ est perdue dans la résistance à chacune de ces transitions :

P = C_s V^2 f_{sw}

La puissance ne dépend pas de la valeur de la résistance : c'est pourquoi le condensateur, et non la résistance, fixe les pertes. La résistance doit être à faible inductance : une résistance bobinée présente trop d'inductance à la fréquence des oscillations.

Validité

La mesure suppose une seule inductance et une seule capacité parasites, et une inductance qui ne change pas quand on ajoute le condensateur de test. Le calculateur signale un multiple de condensateur hors de la plage de deux à quatre fois $C_p$ recommandée par Todd. Il signale aussi un snubber dont la constante de temps $\tau = R_sC_s$ est trop longue pour que le condensateur se décharge pendant le temps de conduction minimal : Severns (Cornell Dubilier, « Design of Snubbers for Power Circuits ») accorde deux constantes de temps, au bout desquelles il reste 0,14 de la tension. Hors de ces limites, les valeurs restent affichées, avec un avertissement. L'estimation de puissance suppose aussi que le condensateur se charge à la tension commutée, sans la dépasser ; toute surtension qui subsiste après amortissement augmente cette puissance.

Exemple Résolu

Problème : un convertisseur buck synchrone de 48 V commutant à 400 kHz présente des oscillations à 180 MHz sur son nœud de commutation. Avec un condensateur de 220 pF branché aux bornes du MOSFET côté bas, les oscillations descendent à 95 MHz. Le temps de conduction le plus court, à faible charge, est de 150 ns. Dimensionnez un snubber RC à trois fois la capacité parasite.

Étape 1 - Capacité parasite : (f₀/f₁)² = (180/95)² = 3,590 C_p = 220 pF / (3,590 − 1) = 84,94 pF

Étape 2 - Inductance parasite : L_p = 1 / ((2π × 180 MHz)² × 84,94 pF) = 9,20 nH

Étape 3 - Impédance caractéristique et résistance du snubber : Z₀ = √(9,20 nH / 84,94 pF) = 10,41 Ω, donc R_s = 10,41 Ω

Étape 4 - Condensateur du snubber : C_s = 3 × 84,94 pF = 254,8 pF

Étape 5 - Puissance dans la résistance : P = 254,8 pF × (48 V)² × 400 kHz = 0,235 W

Étape 6 - Constante de temps : τ = 10,41 Ω × 254,8 pF = 2,65 ns ; deux constantes de temps, soit 5,3 ns, tiennent largement dans le temps de conduction minimal de 150 ns.

Arrondissez aux valeurs normalisées les plus proches (10 Ω et 270 pF) et choisissez une résistance dont la puissance nominale vaut au moins deux fois la dissipation. À quatre fois C_p, le condensateur ferait 339,8 pF et la résistance dissiperait 0,313 W, pour un gain d'amortissement minime.

Conseils Pratiques

✓Choisissez le condensateur de test de sorte que la fréquence d'oscillation soit à peu près divisée par deux ; C_p vaut alors environ le tiers de ce condensateur et la mesure est la moins sensible aux erreurs.
✓Choisissez une résistance d'une puissance nominale d'au moins deux fois la puissance calculée, et un condensateur dont la tension nominale couvre toute la tension commutée plus la surtension ; les céramiques C0G/NP0 conservent leur valeur et supportent le courant impulsionnel.
✓Une fois le snubber monté, mesurez à nouveau : s'il reste une surtension, augmentez le multiple du condensateur vers quatre plutôt que de modifier la résistance.
✓Corrigez d'abord le routage. Une boucle de commutation (hot loop) plus petite élève la fréquence d'oscillation et réduit l'énergie en jeu, et le snubber nécessaire diminue d'autant.
✓Exportez la nomenclature (BOM) ou le schéma KiCad pour obtenir la résistance et le condensateur dimensionnés selon leur puissance et leur tension, montés en série entre le nœud de commutation et la masse.

Erreurs Fréquentes

✗Choisir la résistance du snubber en fonction de la puissance plutôt que de l'amortissement. La résistance doit être égale à l'impédance caractéristique de la boucle ; la dissipation est fixée par le condensateur, la tension et la fréquence, et non par la valeur de la résistance.
✗Prendre un condensateur de snubber qui n'est pas plus grand que la capacité parasite. Avec C_s proche de C_p, la résistance ne peut pas maîtriser les oscillations ; la plage habituelle est de deux à quatre fois C_p.
✗Utiliser une résistance bobinée. Son inductance, à des dizaines ou des centaines de mégahertz, rend le snubber inefficace ; utilisez une résistance CMS à couche épaisse ou une résistance au carbone aggloméré.
✗Mesurer les oscillations avec un long fil de masse sur la sonde. L'inductance propre de ce fil ajoute ses propres oscillations ; mesurez avec la pointe et le manchon de masse de la sonde, ou avec un ressort de masse court.
✗Placer le snubber loin de l'interrupteur. Le snubber doit être placé aux bornes de l'interrupteur avec la boucle la plus courte possible, sinon l'inductance des pistes qui les relient n'est pas amortie.

Foire Aux Questions

Pourquoi choisir une résistance de snubber égale à l'impédance caractéristique ?

Une résistance égale à la valeur √(L/C) de la boucle qui oscille l'amortit au voisinage de Q = 1 : la tension se stabilise en un cycle environ, sans forte surtension. Une résistance beaucoup plus grande laisse la boucle osciller ; une résistance beaucoup plus petite revient à brancher directement le condensateur, et la boucle oscille de nouveau, à une fréquence plus basse.

Pourquoi une fréquence d'oscillation divisée par deux signifie-t-elle que la capacité parasite vaut le tiers de la capacité ajoutée ?

La fréquence d'oscillation est proportionnelle à l'inverse de la racine carrée de la capacité. La diviser par deux signifie que la capacité totale a quadruplé : le condensateur ajouté apporte donc trois fois la capacité d'origine. En général, C_p = C_add / ((f₀/f₁)² − 1).

Quelle puissance un snubber RC dissipe-t-il ?

Environ C_s·V²·f_sw : le condensateur se charge à la tension commutée puis se décharge, une fois chacun par cycle de commutation, et à chaque fois l'énergie ½·C_s·V² est perdue dans la résistance. La valeur de la résistance n'y change rien, tant que le condensateur a le temps de se charger et de se décharger.

Que se passe-t-il si la constante de temps du snubber est trop longue ?

Le condensateur ne peut pas se décharger pendant un temps de conduction court : il aborde le blocage suivant partiellement chargé et amortit moins, et l'estimation de puissance ne tient plus. Le calculateur avertit lorsque deux constantes de temps dépassent le temps de conduction minimal.

Quand utiliser un clamp RCD plutôt qu'un snubber RC ?

Lorsque l'énergie à absorber est importante, comme celle de l'inductance de fuite d'un convertisseur flyback, qui pousse le drain bien au-dessus de la tension d'entrée. Un snubber RC aux bornes de cet interrupteur dissiperait trop. Le clamp RCD n'absorbe que l'énergie au-delà de sa tension d'écrêtage ; voir le calculateur de snubber d'écrêtage RCD.

Méthodologie et références

Références

Snubber Circuits: Theory, Design and Application — Philip C. Todd, Unitrode Corporation (May 1993), TI literature SLUP100 — p. 2-4: sizing the RC snubber by halving the ring frequency, R equal to the characteristic impedance, C two to four times the circuit capacitance; p. 2-5: resistor dissipation P = f·C·V²
Design of Snubbers for Power Circuits — Rudy Severns, Cornell Dubilier Electronics technical paper (1999) — pp. 4–6: the RC snubber across the switch and its dissipation; p. 10: the parasitic inductance from the ring period with and without a test capacitor; p. 15: discharging the capacitor within the minimum on-time, two time constants

Reproduces Todd's worked example (330 pF and 2 µH ringing at 6.2 MHz, 78 Ω, 16.0 W from a 1000 pF snubber at 400 V and 100 kHz); halving the ring frequency gives exactly a third of the added capacitance, and the inductance equals the one Severns's two-period measurement gives.

Shop Components

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

DC-DC Buck Converter Modules

Adjustable step-down converter modules for bench and prototype use

Amazon →

LDO Voltage Regulator Kit

Assorted low-dropout linear regulators for prototyping

Amazon →

Electrolytic Capacitor Kit

Aluminum electrolytic capacitor kit for power supply filtering

Amazon →

Power Inductor Kit

Assorted shielded power inductors for switching supply designs

Amazon →

Calculateurs associés

Power

Snubber d'écrêtage RCD

Dimensionnez le circuit d'écrêtage RCD qui limite la surtension de drain d'un convertisseur flyback : puissance du clamp, facteur de tension réfléchie compris, résistance et condensateur du clamp, tension de drain crête et tension inverse nominale de la diode, à partir de l'inductance de fuite, du courant crête et de la tension d'écrêtage.

Power

Perte de puissance du MOSFET

Calculez la perte de conduction du MOSFET, la perte de commutation, la dissipation de puissance totale, la température de jonction et l'efficacité pour la conception de composants électroniques de puissance

Power

Convertisseur Buck

Concevez un convertisseur synchrone (abaisseur) : calculez le rapport cyclique, la valeur de l'inductance, le condensateur de sortie et le condensateur d'entrée.

Power

Convertisseur Boost

Calculez le rapport cyclique, la valeur de l'inducteur et le condensateur de sortie pour la conception d'un convertisseur DC-DC d'amplification (élévateur)