反激式開關(guān)電源漏極鉗位保護電路設(shè)計方案

..反激式開關(guān)電源漏極鉗位保護電路設(shè)計方案開關(guān)電源漏極鉗位保護電路的作用是當(dāng)功率開關(guān)管<MOSFET>關(guān)斷時,對由高頻變壓器漏感所形成的尖峰電壓進行鉗位和吸收,以防止MOSFET因過電壓而損壞。散熱器的作用則是將單片開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)掉,避免因散熱不良導(dǎo)致管芯溫度超過最高結(jié)溫,使開關(guān)電源無法正常工作,甚至損壞芯片。下面分別闡述漏極鉗位保護電路和散熱器的設(shè)計要點、設(shè)計方法及注意事項。1設(shè)計開關(guān)電源漏極鉗位保護電路的要點及實例在"輸入整流濾波器及鉗位保護電路的設(shè)計"一文中<詳見<電源技術(shù)應(yīng)用>20XX第12期>,介紹了反激式開關(guān)電源漏極鉗位保護電路的工作原理。下面以最典型的一種漏極鉗位保護電路為例,詳細(xì)闡述其設(shè)計要點及設(shè)計實例。1>設(shè)計實例采用由瞬態(tài)電壓抑制器TVS<P6KE200,亦稱鉗位二極管>、阻容吸收元件<鉗位電容C和鉗位電阻R1>、阻尼電阻<R2>和阻塞二極管<快恢復(fù)二極管FR106>構(gòu)成的VDZ、R、C、VD型漏極鉗位保護電路,如圖1所示。選擇TOPswitch-HX系列TOP258P芯片,開關(guān)頻率f=132kHz,u=85~265V,兩路輸出分別為UO1<+12V、2A>、UO2<+5V、2.2A>。PO=35W,漏極峰值電流IP=ILIMIT=1.65A.實測高頻變壓器的一次側(cè)漏感L0=20μH。圖1最典型的一種漏極鉗位保護電路2>設(shè)計要點及步驟<1>選擇鉗位二極管。采用P6KE200型瞬態(tài)電壓抑制器<TVS>,鉗位電壓UB=200V。<2>確定鉗位電壓的最大值UQ<max>。令一次側(cè)感應(yīng)電壓<亦稱二次側(cè)反射電壓>為UOR,要求：1.5UOR≤UQ<max>≤200V實際可取UQ<max>=UB=200V.<3>計算最大允許漏極電壓UD<max>為安全起見,UD<max>至少應(yīng)比漏-源極擊穿電壓700V留出50V的余量。這其中還考慮到P6KE200具有0.108%/℃的溫度系數(shù),當(dāng)環(huán)境溫度TA=25℃時,UB=200V;當(dāng)TA=100℃時,UB=200V×[<1+0.108>%/℃]×100℃=221.6V,可升高21.6V。<4>計算鉗位電路的紋波電壓。URI=0.1UQ<max>=0.1UB=0.1×200V=20V<5>確定鉗位電壓的最小值UQ<min>UQ<min>=UQ<max>-URI=UB-0.1UB=90%UB=180V<6>計算鉗位電路的平均電壓。<7>計算在一次側(cè)漏感上存儲的能量EL0<8>計算被鉗位電路吸收的能量EQ當(dāng)1.5W≤PO≤50W時,EQ=0.8EL0=0.8×27.2μJ=21.8μJ注意：當(dāng)PO>50W時,EQ=EL0=27.2μJ.當(dāng)PO<1.5W時,不要求使用鉗位電路。<9>計算鉗位電阻R1式中,UQ的量綱為[L]2[M][T]-3[I]-1,f的量綱為[T]-1,R1的量綱為[L]2[M][T]-3[I]-2<10>計算鉗位電容C式中,EQ的量綱為[L]2[M][T]-2,UQ的量綱為[L]2[M][T]-3[I]-1,C的量綱為[L][M]2[T]-3[I]-2<11>選擇鉗位電容和鉗位電阻。令由R1、C確定的時間常數(shù)為τ：將UQ<max>=UB、UQ<min>=90%UB、=0.95UB和f=132kHz一并代入上式,化簡后得到：τ=R1C=9.47/f=9.47T<μs>這表明R1、C的時間常數(shù)與開關(guān)周期有關(guān),在數(shù)值上它就等于開關(guān)周期的9。47倍。當(dāng)f=132kHz時,開關(guān)周期T=7.5μs,τ=9.47×7.5μs=71.0μs.實取鉗位電阻R1=15kΩ,鉗位電容C=4.7nF.此時τ=70.5μs.當(dāng)鉗位保護電路工作時,R1上的功耗為：考慮到鉗位保護電路僅在功率開關(guān)管關(guān)斷所對應(yīng)的半個周期內(nèi)工作,R1的實際功耗大約為1.2W<假定占空比為50%>,因此可選用額定功率為2W的電阻。令一次側(cè)直流高壓為UI<max>。鉗位電容的耐壓值UC>1.5UQ<max>+UI<max>=1.5×200V+265V×=674V.實際耐壓值取1kV.<12>選擇阻塞二極管VD要求反向耐壓UBR≥1.5UQ<max>=300V采用快恢復(fù)二極管FR106<1A/800V,正向峰值電流可達(dá)30A>。要求其正向峰值電流遠(yuǎn)大于IP<這里為30A>1.65A>。說明：這里采用快恢復(fù)二極管而不使用超快恢復(fù)二極管,目的是配合阻尼電阻R2,將部分漏感能量傳輸?shù)蕉蝹?cè),以提高電源效率。<13>計算阻尼電阻R2.有時為了提高開關(guān)電源的效率,還在阻塞二極管上面串聯(lián)一只低阻值的阻尼電阻R2.在R2與漏極分布電容的共同作用下,可使漏感所產(chǎn)生尖峰電壓的起始部分保留下來并產(chǎn)生衰減振蕩,而不被RC電路吸收掉。通常將這種衰減振蕩的電壓稱作振鈴電壓,由于振鈴電壓就疊加在感應(yīng)電壓UOR上,因此可被高頻變壓器傳輸?shù)蕉蝹?cè)。阻尼電阻應(yīng)滿足以下條件：即：實取20Ω/2W的電阻。2開關(guān)電源散熱器的設(shè)計要點在"開關(guān)電源散熱器的設(shè)計"一文中<詳見<電源技術(shù)應(yīng)用>20XX第1期>,介紹了通過計算芯片的平均功耗來完成散熱器設(shè)計的簡便實用方法。下面再對開關(guān)電源散熱器的設(shè)計要點作進一步分析。以TOPSwitch-GX<TOP242~TOP250>系列單片開關(guān)電源為例,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時漏-源極導(dǎo)通電流<IDS<ON>>與漏-源極導(dǎo)通電壓<UDS<ON>>的歸一化曲線如圖2所示。圖2當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時漏-源極導(dǎo)通電流IDS<ON>與漏-源極導(dǎo)通電壓UDS<ON>的歸一化曲線說明：<1>定義RDS<ON>=UD<ON>/IDS<ON>。<2>圖2是以TOP249Y為參考,此時k=1.00.<3>求漏-源極導(dǎo)通電流時應(yīng)乘以k,求漏-源極通態(tài)電阻時應(yīng)除以k.<4>k值所代表的就是TOPSwitch-GX系列中不同型號芯片的通態(tài)電阻比值,它也是極限電流比值。例如TOP249Y的RDS<ON>=2.15Ω<典型值>,TOP250Y的RDS<ON>=1.85Ω<典型值>,2.15Ω/1.85Ω=1.162,而對TOP250Y而言,比例系數(shù)k=1.17,二者基本相符。TOP249Y、TOP250Y的ILIMIT分別為5.40A、6.30A<典型值>,6.30A/5.40A=1.167≈1.17.<5>在相同的輸出功率下IDS<ON>可視為恒定值,而芯片的功耗隨所選TOPSwitch-GX型號的增大而減小,隨型號的減小而增大。因此選擇較大的型號TOP250Y,其功耗要比TOP249Y更低。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時漏極功耗PD與漏-源極關(guān)斷電壓UDS<OFF>的歸一化曲線如圖3所示。圖3當(dāng)MOSFET關(guān)斷時漏極功耗PD與漏-源極關(guān)斷電壓UDS<OFF>的歸一化曲線說明：因MOSFET在關(guān)斷損耗時的很小<只有幾百毫瓦>,故一般可忽略不計。設(shè)計要求：選擇TO-220-7C封裝的TOP249Y型單片開關(guān)電源集成電路,設(shè)計70W<19V、3.6A>通用開關(guān)電源。已知TOP249Y的極限結(jié)溫為150℃,最高工作結(jié)溫TJM=125℃,最高環(huán)境溫度TAM=40℃。試確定鋁散熱器的參數(shù)。設(shè)計方法：考慮到最不利的情況,芯片結(jié)溫TJ可按100℃計算。從TOP249Y的數(shù)據(jù)手冊中查到它在TJ=100℃時的RDS<ON>=2.15Ω<典型值>,極限電流ILIMIT=5.40A<典型值>。由于芯片總是降額使用的,實際可取IDS<ON>=0.8ILIMIT=4.32A.考慮到IDS<ON>在一個開關(guān)周期內(nèi)是近似按照線性規(guī)律從零增加到最大值的<參見圖2>,因此應(yīng)對其取平均值,即：分析與結(jié)論：<1>選用TOP250Y可輸出更大的功率。若與TOP249Y輸出同樣的70W功率,因不變,僅RDS<ON>減小了,故：這表明,在同樣的輸出功率下,TOP250Y的損耗更小。<2>利用特性曲線可驗證設(shè)計結(jié)果。從圖2中的虛線<TJ=100℃>上查出=2.16A時所對應(yīng)的UDS<ON>=4.5V.若根據(jù)UDS<ON>值計算,則：比前面算出的10.0W略低一點。這是由于該特性曲線呈非線性的緣故,致使后者的數(shù)值偏低些。<3>若考慮到還有關(guān)斷損耗,從圖3中可查出PD=510mW=0.51W<UDS<OFF>=600V>。假定占空比為50%,在計算平均功耗時應(yīng)將關(guān)斷損耗除以2.因此=9.72W+0.51W/2=9.975W,該結(jié)果就與10.0W非常接近。3結(jié)束語設(shè)計漏極鉗位保護電