淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-3006201714383700
中文論文名稱 瞬態電壓抑制器對直流電壓轉換器之影響與分析
英文論文名稱 Study and Analysis of Snubber on DC-DC Power Converter
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 蔡政倫
研究生英文姓名 Cheng-Lun Tsai
學號 703440122
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-06-14
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-丘建青
委員-李慶烈
委員-錢威
中文關鍵字 交換式電源  snubber  緩衝電路 
英文關鍵字 Buck converter  Snubber  Switching Power 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 論文提要內容:
電源供應器是每一個電子系統的命脈,也是電路操作的能量來源;常見的電子產品,其內部操作電源皆是以直流電為主,有了穩定的直流電源,本論文所研究之方法,可使得電子系統,可以操作的更穩定、更可靠、產品壽命更長。
今日中低功率轉換器最常使用開關元件為power MOSFET,於電路運作時,其汲極(drain)與源極(source)間電壓原為一接近理想方波,然而線路上電感儲存電流瞬間被截斷,將產生高壓尖波,接著將與雜散電容產生高頻振盪。
PWM 型切換式電力轉換器由於成本低及技術成熟,目前仍廣為應用。面對電路中半導體開關元件所承受衝擊,設計者可採用緩衝電路保護或提高其額定值因應。切換式電力轉換器常用緩衝電路為被動式(passive)截止型(turn off type),於開關元件截止時壓抑其電壓上降,以及伴隨的振盪波。

本論文貢獻其一:設計者只會看到瞬態電壓抑制器對於電路上的正面效果,但幾乎忽略了加上電路後對整體線路的影響。經由在產品上實測並分析比較其影響。本論文貢獻其二:使用不同參數於同一線路上進行實驗並交叉比對其中差異。使設計者能夠針對不同需求進行緩衝電路最佳化。本論文貢獻其三:藉由完整實驗分析了緩衝電路,了解其對現今電源電路之必要性,並可針對改善其負面影響訂定未來發展的方向。
英文摘要 Abstract:
Power supply is the heart of an electrical system and the energy source for the operation of circuits. Typical electronics often use DC voltage as its power source for internal operation. This research examines a method that allows more stable DC voltage, hence increasing electronics operation stability, reliability, and life time. Power MOSFET is the main component in modern day DC-to-DC converter. During its operation, drain and source voltages are in a square wave form. This instantaneous current cut off creates high voltage spikes, which together with parasitic capacitance , causes high frequency oscillation. Due to low cost and well established technique, the PWM type switch regulator is commonly used. snubber circuit protection and voltage rating are two ways to minimize the impact on circuit switches. Switch regulators often use passive turn off type snubber circuit to suppress the voltage spike and the oscillation.
Thesis Contribution I: Designer only sees positive effects from the Transient Voltage Surpressor and almost neglect the overall effects with the addition of power supply to the circuit. This research conducts product testing and analyzes the effects on electrical circuits caused by the power supply.
Thesis Contribution II: Use different parameters to conduct experiment and analyze results through cross comparison. This enables designers to optimize snubber circuits for different circuit requirements.
Thesis Contribution III: Understand the importance of power supplies in electrical circuits through complete experiments and detail analysis of snubber circuits to set the base for future improvements and developments.
論文目次 目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 IV
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2 發展與問題探討 4
1.3 本研究之貢獻 6
1.4 論文章節架構 6
第二章 降壓電壓轉換器 (Buck Converter) 7
2.1切換式電壓轉換器的基本原理 7
2.2 降壓轉換器之概述 11
2.1.1 降壓轉換器之工作原理 13
2.1.2 降壓控制晶片RT8248A晶片功能與特色簡介 17
2.1.3 RT8248A晶片規格 20
第三章 瞬態電壓抑制器(Snubber) 24
3.1 安全工作區(Safe Operating Area) 24
3.2 瞬態電壓抑制器 ( Snubber) 電路之工作原理 25
3.3 電路中Snubber 的導入和參數計算 30
3.3.1 Snubber 電路的導入 30
3.3.2 包含寄生參數的振鈴迴路等效 33
3.3.3 等效模型下的Snubber 參數計算 35
第四章 實驗結果與討論 38
4.1 概論 38
4.2 測試設備儀器介紹 38
4.3 使用瞬態電壓抑制器於降壓轉換電路實驗 42
4.3.1 RT8248A降壓電路實驗 43
4.3.2 RT8248A降壓電路訊號量測 46
4.3.3 效率實驗 50
4.3.4 能耗實驗 55
4.3.5 溫度實驗 59
4.3.6 Snubber波形量測實驗 62
4.3 實驗結果總結 64
第五章 結論 68
5.1 結果討論 69
5.2 未來展望 69
參考文獻 71


圖目錄
圖1. 1 由市電轉換到個人裝置電源架構圖 2
圖1. 2 個人裝置電源架要求多樣化電壓 2
圖1. 3主機板電源架構 2
圖1. 4 MOSFET 燒毀圖 5
圖2. 1 電池放電曲線圖 8
圖2. 2 脈衝寬度調變(PWM) 10
圖2. 3 降壓轉換器架構 12
圖2. 4降壓轉換器(Q1導通,D截止) 14
圖2. 5 降壓轉換器(Q1開路,D導通) 15
圖2. 6 降壓型轉換器穩態操作之各點波形 17
圖2. 7 RT8248A效率圖 18
圖2. 8 RT8248A之功能結構圖 19
圖2. 9 RT8248A降壓晶片15 pin接腳示意圖 20
圖2. 10 WQFN封裝 21
圖3. 1電晶體的安全工作區示意圖 25
圖3. 2 Snubber電路種類 26
圖3. 3 主動式Snubber電路 27
圖3. 4 被動式Snubber的兩種類型 28
圖3. 5 導通型與截止型之功用 28
圖3. 6 Snubber電路圖 29
圖3. 7 加入Snubber效果示意圖 29
圖3. 8 電路產生振鈴波形圖 30
圖3. 9 影響EMI線路圖 31
圖3. 10 影響EMI實例 32
圖3. 11 包括了主要寄生參數的 buck 電路圖 33
圖3. 12 High Side振鈴電路之等效電路 34
圖3. 13 不同電阻值下對振鈴的抑制效果對比 35
圖3. 14 相同電阻值下電容值變大對振鈴的影響 36
圖3. 15 High side MOSFET開通瞬間關鍵節點波形 37
圖4. 1 Programmable Power Supply 38
圖4. 2 Smart Electronic Load 39
圖4. 3 Digital Phosphor Oscilloscope 39
圖4. 4 Mobile Corder 40
圖4. 5 Electric meter 40
圖4. 6 AC Current Clamp Meter 41
圖4. 7 Digital Power Meter 41
圖4. 8 實驗平台ASUS Zenbook UX310UV & 內部主機板 42
圖4. 9 RT8248A架購圖 43
圖4. 10 RT8248A晶片及其他元件 44
圖4. 11 Buck Converter Layout圖 45
圖4. 12 Snubber Layout圖 45
圖4. 13 MOSFET實測振鈴波形 46
圖4. 14 NTMFS4C09N之Coss 47
圖4. 15 RT8248A降壓電路量測效率環境 51
圖4. 16 1Ω電阻搭配不同電容效率表 52
圖4. 17 2Ω電阻搭配不同電容效率表 52
圖4. 18 3Ω電阻搭配不同電容效率表 52
圖4. 19 1000pF電容搭配不同電阻效率表 53
圖4. 20 2200pF電容搭配不同電阻效率表 53
圖4. 21 3300pF電容搭配不同電阻效率表 53
圖4. 22 實驗效率總表 54
圖4. 23 常見各國電源安規標誌 55
圖4. 24 固定電阻能耗比較圖 56
圖4. 25 固定電容能耗比較圖 56
圖4. 26 實際用功率計量測能耗圖 58
圖4. 27 高階主機板散熱器 59
圖4. 28 實驗溫度總表圖 60
圖4. 29 實測Snubber波形 63
圖4. 30 無使用Snubber波形 63


表目錄
表2. 1 RT8248A晶片規格 21
表2. 2 RT8248A腳位功能 22
表4. 1實驗元件表 48
表4. 2固定電阻 49
表4. 3固定電容 49
表4. 4 原始效率量測 51
表4. 5與原始線路比較百分比 57
表4. 6 實驗溫度總表 60
表4. 7 實驗數據做整合 64
表4. 8 整合分析 67

參考文獻 參考文獻
[1] bisheng, “電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相. ” techbang.com.
[2] 高宗榮、陳正杰, “返馳式轉換器截止型緩衝電路設計Turn off Type snubber Circuit Design for a Flyback Converter”電源設計技術資訊網站:DC/DC開關穩壓器的基礎
[3] 詳實計算機概論-松崗電腦圖書資料股份有限公司:第2章 電腦的工作原理
[4] 維基百科:降壓變換器
(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%8D%E5%8E%8B%E5%8F%98%E6%8D%A2%E5%99%A8)
[5] Sung-Yun Park; Jihyun Cho; Kyuseok Lee; Euisik Yoon , “A PWM Buck Converter With Load-Adaptive Power Transistor Scaling Scheme Using Analog-Digital Hybrid Control for High Energy Efficiency in Implantable Biomedical Systems”IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems Year: 2015, Volume: 9, Issue: 6 Pages: 885 – 895
[6] V. Vorperian , “Simplified analysis of PWM converters using model of PWM switch.” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems ( Volume: 26, Issue: 3, May 1990 )

[7] Switch mode power supply tutorial: DC-DC buck converters
(http://afrotechmods.com/tutorials/2014/12/20/switch-mode-power-supply-tutorial-dc-dc-buck-converters/)
[8] ASUS EA Training Course:Switch Buck Converter
[9] Brian P. Erisman and Zoltan Zansky, “Optimizing the Load Transient Response of the Buck Converter” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1998. APEC '98. Conference Proceedings 1998.
[10] Enric Fossas and Gerard Olivar, “Study of Chaos in the Buck Converter.” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications ( Volume: 43, Issue: 1, Jan 1996 )
[11] N. Camilleri ; J. Costa ; D. Lovelace ; D. Ngo, “Silicon MOSFETs, the microwave device technology for the 1990s” Microwave Symposium Digest, 1993., IEEE MTT-S International
[12] John D. Lenk, “High-Frequency Switching Power Supplies ", 1989
[13] Mohan, Undeland, Robbins "Power electronics:converters, applications, and design”
[14] RICHTEK DATASHEET, “RT8248A,Complete DDR Memory Power Supply Controller DS8248A-02 April 2014
[15] Robert Kollman, “DDR 記憶體電源.” 德州儀器(TI)
[16] 陳毅斌, “無引腳SMD封裝:小面積上的高性能”科技商情,7月,2012。 (http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?cnlid=13&cat=&id=0000292368_W6J2SC7Q7NMZLM74D5Z7Y)
[17] “QFN/DFN Application Note,”晶致半導體股份有限公司。(http://www.amtek-semi.com/tw/technical/detail/2)
[18] 中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集:PCB 散熱特性對於 QFN 封裝之影響。中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日
[19] Tim Williams, “The circuit designer's companion 2nd ed.. Butterworth-Heinemann.”. 2004: pp.129–130. ISBN 0750663707.
[20] 周玉坤等譯, “電路設計技術與技巧.”電子工業出版社,:pp.132–133
[21] Allan Chiu, “MOSFET安全工作區在線性調節器電路設計的重要性” Alpha & Omega Semiconductor (Taiwan), Ltd.
[22] H. Levy, I. Zafrany, G. Ivensky and S. Ben-Yaakov, “Analysis and evaluation of a lossless turn-on snubber,” in Proc. IEEE APEC, 1996, pp. 757-763.
[23] A. Elasser ; D.A. Torrey, “Soft switching active snubbers for DC/DC converters” IEEE Transactions on Power Electronics ( Volume: 11, Issue: 5, Sep 1996 )
[24] 維基百科:振鈴
(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%AF%E9%88%B4)
[25] PCB設計 "信號完整性 "名詞解釋. 自動化在線. 2014-04-14 [2015-07-29].
[26] Howard W. Johnson, Martin Graham , “High-speed Digital Design:A Handbook of Black Magic. ” Prentice Hall, 1993
[27] RICHTEK,APPLICATION NOTE , “消除 Buck轉換器中的 EMI問題,AN045 – January 2016
[28] B. T. Irving and M. M. Jovanovic, “Analysis, design, and performance evaluation of flying-capacitor passive lossless snubber applied to PFC boost converter” in Proc. IEEE APEC, pp. 757-763, 2002.
[29] K. M. Smith and K. M. Smedley, “Engineering design of lossless passive soft switching methods for PWM converters-Part I:with minimum voltage stress circuit cells,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol.16, pp. 336-344, May 2001.
[30] X. Wu, X. Jin, L. Huang and G. Feng, “A lossless snubber for DC/DC converters and its application in PFC,” in Proc. IEEE IPEMC, pp. 1144-1149, 2000.
[31] C. J. Tseng and C. L. Chen, “A passive lossless snubber cell for nonisolated PWM DC/DC converters,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol.45, pp. 593-601, Aug.1998
[32] 曾國棟, “以數位訊號處理器為基礎之不斷電並聯運轉系統Research and Development for DSP-based ON-Line,”,中華民國九十一年六月
[33] Philip C. Todd, “Snubber Circuits: Theory,Design,and Application,” Unitrode Power Supply DesignSeminar Manual SEM-900, 1993.
[34] 降壓式電路的緩衝電路原理和快速設計,TEXAS INSTRUMENTS Application Report,ZHCA658 – Jul 2016
[35] Kevin, “ Snubber / Rg / Rboot Discussion,” ASUS 2012/10/23
[36] DC/DC線性穩壓器的基礎-效率和熱計算.2016/03/30
(http://micro.rohm.com/tw/techweb/knowledge/dcdc/s-dcdc/01-s-dcdc/82)
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2017-07-11公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2017-07-11起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信