開關(guān)電源鉗位保護(hù)電路及散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

開關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的作用是當(dāng)功率開關(guān)管(MOSFET)關(guān)斷時(shí)，對(duì)由高頻變壓器漏感所形成的尖峰電壓進(jìn)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(shí)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(hù)電路和散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)。

1 設(shè)計(jì)開關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的要點(diǎn)及實(shí)例

在輸入整流濾波器及鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)一文中(詳見《電源技術(shù)應(yīng)用》2009年第12期)，介紹了反激式開關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的工作原理。下面以最典型的一種漏極鉗位保護(hù)電路為例，詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)實(shí)例。

1)設(shè)計(jì)實(shí)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R 1)、阻尼電阻(R 2)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(hù)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)。P O=35W,漏極峰值電流I P=I LIMIT=1.65A.實(shí)測高頻變壓器的一次側(cè)漏感L 0=20μH。

圖1 最典型的一種漏極鉗位保護(hù)電路

2)設(shè)計(jì)要點(diǎn)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：

1.5U OR≤U Q(max)≤200V

實(shí)際可取U Q(max)=U B=200V.

(3)計(jì)算最大允許漏極電壓U D(max)

為安全起見，U D ( max)至少應(yīng)比漏-源極擊穿電壓7 00V留出5 0V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T A=25℃時(shí)，U B=200V;當(dāng)T A=100℃時(shí)，U B=200V×[(1+0.108)%/℃]×100℃=221.6V,可升高21.6V。

(4)計(jì)算鉗位電路的紋波電壓。

URI=0.1U Q(max)=0.1U B=0.1×200V=20V

(5)確定鉗位電壓的最小值U Q(min)

UQ(min) =UQ(max) -URI=U B-0.1U B=90%U B=180V

(6)計(jì)算鉗位電路的平均電壓。

(7)計(jì)算在一次側(cè)漏感上存儲(chǔ)的能量E L0

(8)計(jì)算被鉗位電路吸收的能量EQ

當(dāng)1.5W≤P O≤50W時(shí)，E Q=0.8E L0=0.8×27.2μJ=21.8μJ

注意：當(dāng)P O>50W時(shí)，E Q=E L0=27.2μJ.當(dāng)P O1.5W時(shí)，不要求使用鉗位電路。

(9)計(jì)算鉗位電阻R1

式中，U Q的量綱為[L]2[M][T]-3[I] -1 ,f的量綱為[T] -1 ,R 1的量綱為[L]2[M] [T]-3[I]-2

(10)計(jì)算鉗位電容C

式中，E Q的量綱為[L]2[M][T] -2 ,U Q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R 1、C確定的時(shí)間常數(shù)為τ：

將U Q(max) =U B、U Q(min) =90%U B、

=0.95UB和f=132kHz一并代入上式，化簡后得到：

τ=R 1C =9.47/f=9.47T (μs)