反激式電源中MOSFET的箝位電路

輸出功率100W以下的AC/DC電源通常都采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種電源成本較低，使用一個(gè)控制器就能提供多路輸出跟蹤，因此受到設(shè)計(jì)師們的青睞，且已成為元件數(shù)少的AC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。不過(guò)，反激式電源的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)初級(jí)開關(guān)元件產(chǎn)生高應(yīng)力。

反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，是在電源導(dǎo)通期間將能量?jī)?chǔ)存在變壓器中，在關(guān)斷期間再將這些能量傳遞到輸出。反激式變壓器由一個(gè)磁芯上的兩個(gè)或多個(gè)耦合繞組構(gòu)成，激磁能量在被傳遞到次級(jí)之前，一直儲(chǔ)存在磁芯的串聯(lián)氣隙間。實(shí)際上，繞組之間的耦合從不會(huì)達(dá)到完美匹配，并且不是所有的能量都通過(guò)該氣隙進(jìn)行傳遞。少量的能源儲(chǔ)存在繞組內(nèi)和繞組之間，這部分能量被稱為變壓器漏感。開關(guān)斷開后，漏感能量不會(huì)傳遞到次級(jí)，而是在變壓器初級(jí)繞組和開關(guān)之間產(chǎn)生高壓尖峰。此外，還會(huì)在斷開的開關(guān)和初級(jí)繞組的等效電容與變壓器的漏感之間，產(chǎn)生高頻振鈴(圖1)。

圖1：漏感產(chǎn)生的漏極節(jié)點(diǎn)開關(guān)瞬態(tài)。

如果該尖峰的峰值電壓超過(guò)開關(guān)元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓，就會(huì)導(dǎo)致破壞性故障。此外，漏極節(jié)點(diǎn)的高幅振鈴還會(huì)產(chǎn)生大量EMI。對(duì)于輸出功率在約2W以上的電源來(lái)說(shuō)，可以使用箝位電路來(lái)安全耗散漏感能量，達(dá)到控制MOSFET電壓尖峰的目的。

箝位的工作原理

箝位電路用于將MOSFET上的最大電壓控制到特定值，一旦MOSFET電壓達(dá)到閾值，所有額外的漏感能量都會(huì)轉(zhuǎn)移到箝位電路，或者先儲(chǔ)存起來(lái)慢慢耗散，或者重新送回主電路。箝位的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)耗散功率并降低效率，因此，有許多不同類型的箝位電路可供選擇(圖2)。有多種箝位使用齊納二極管來(lái)降低功耗，但它們會(huì)在齊納二極管快速導(dǎo)通時(shí)增加EMI的產(chǎn)生量。RCD箝位能夠很好地平衡效率、EMI產(chǎn)生量和成本，因此最為常用。

圖2：不同類型的箝位電路。

箝位

RCD箝位的工作原理為：MOSFET關(guān)斷后，次級(jí)二極管立即保持反向偏置，勵(lì)磁電流對(duì)漏極電容充電(圖3a)。當(dāng)初級(jí)繞組電壓達(dá)到由變壓器匝數(shù)所定義的反射輸出電壓(VOR)時(shí)，次級(jí)二極管關(guān)斷，勵(lì)磁能量傳遞到次級(jí)。漏感能量繼續(xù)對(duì)變壓器和漏極電容充電，直到初級(jí)繞組電壓等于箝位電容電壓(圖3b)。

圖3：RCD箝位電路的初級(jí)側(cè)箝位。

Vc=箝位電壓

此時(shí)，阻斷二極管導(dǎo)通，漏感能量被轉(zhuǎn)移到箝位電容(圖4a)。經(jīng)由電容吸收的充電電流將漏極節(jié)點(diǎn)峰值電壓箝位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全轉(zhuǎn)移后，阻斷二極管關(guān)斷，箝位電容放電到箝位電阻，直到下一個(gè)周期開始(圖4b)。通常會(huì)添加一個(gè)小電阻與阻斷二極管串聯(lián)，以衰減在充電周期結(jié)束時(shí)變壓器電感和箝位電容之間產(chǎn)生的任何振蕩。這一完整周期會(huì)在箝位電路中造成電壓紋波(稱為VDELTA)，紋波幅度通過(guò)調(diào)節(jié)并聯(lián)電容和電阻的大小來(lái)控制(圖5)。

圖4：RCD箝位的工作原理。

箝位電阻消耗漏感能量

RCDZ箝位與RCD箝位的工作原理相同，不同點(diǎn)在于它通過(guò)齊納二極管與電阻串聯(lián)來(lái)分擔(dān)耗散(圖2)。齊納二極管可防止電容放電至齊納二極管阻斷電壓以下，這樣可限制功率耗散并提升效率，特別是在輕載時(shí)非常有用。ZD箝位對(duì)由齊納二極管的阻斷電壓指定的MOSFET電壓提供硬箝位。RCD+Z箝位與RCD箝位的工作方式相同，所添加的齊納二極管對(duì)瞬態(tài)條件下的MOSFET電壓提供硬箝位，并且前者在正常工作條件下的EMI生成特性，也與RCD箝位相同。

圖5：RCD箝位電壓的基準(zhǔn)測(cè)量。

箝位設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮變壓器和MOSFET的特性。如果最低箝位電壓低于變壓器的VOR，箝位將充當(dāng)一個(gè)負(fù)載，耗散的不僅僅是漏感能量。如果箝位元件過(guò)小，它們可能變得過(guò)熱，無(wú)法預(yù)防危險(xiǎn)的電壓，并會(huì)產(chǎn)生不必要的EMI。最為重要的是，箝位必須對(duì)各種電源輸入電壓、負(fù)載電流和元件容差條件下的MOSFET提供保護(hù)。

POWER Integrations公司發(fā)布的《確定箝位大小的設(shè)計(jì)指南》(PI-DG-101)，對(duì)反激式電源所用到的四種主要箝位電路分別提供了確定元件大小的詳細(xì)步驟。該設(shè)計(jì)指南可與PI Expert設(shè)計(jì)軟件配合使用。PI Expert是一款交互式程序，它可以根據(jù)設(shè)計(jì)師的電源規(guī)格自動(dòng)確定關(guān)鍵元件(包括變壓器規(guī)格)，從而完成一個(gè)有效的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。PI Expert可自動(dòng)生成箝位設(shè)計(jì)，但其結(jié)果將比《確定箝位大小的設(shè)計(jì)指南》中的以下算法所生成的稍為保守些。

確定RCD箝位的大小

這里介紹了設(shè)計(jì)RCD箝位時(shí)需要遵循的步驟摘要。完整的細(xì)節(jié)內(nèi)容，請(qǐng)參閱《確定箝位大小的設(shè)計(jì)指南》。下面所提到的所有值，均非由用戶測(cè)量或定義，可在PI Expert的設(shè)計(jì)結(jié)果選項(xiàng)卡中找到。

1．測(cè)量變壓器的初級(jí)漏感LL。

2．檢查您的設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率fs。

3．確定正確的初級(jí)電流IP，方法如下：如果設(shè)計(jì)采用功率限制設(shè)定，則IP=ILIMITEXT；如果設(shè)計(jì)采用外部流限設(shè)定，則IP=ILIMITEXT；對(duì)于所有其他設(shè)計(jì)，IP=IILIMITMAX。

4．確定初級(jí)MOSFET所允許的總電壓，并根據(jù)以下公式計(jì)算Vmaxclamp。

建議至少應(yīng)維持低于MOSFET的BVDSS 50V的電壓裕量，并另外留出30V到50V的電壓裕量，以滿足瞬態(tài)電壓要求。

5．確定箝位電路的電壓紋波VDELTA。

6．根據(jù)以下公式計(jì)算箝位電路的最小電壓。

7．根據(jù)以下公式計(jì)算箝位電路的平均電壓Vclamp。

8．根據(jù)以下公式計(jì)算漏感中儲(chǔ)存的能量。

9．根據(jù)以下公式估算箝位中的能量耗散Eclamp。

10．根據(jù)以下公式計(jì)算箝位電阻值。

11．箝位電阻的功率額定值應(yīng)大于

12．根據(jù)以下公式計(jì)算箝位電容值。

13．箝位電容的電壓額定值應(yīng)大于1.5*Vmaxclamp。

14．應(yīng)使用快速或超快恢復(fù)二極管，將其用作箝位電路中的阻斷二極管。

15．阻斷二極管的峰值反向電壓應(yīng)大于1.5*Vmaxclamp。

16．阻斷二極管的正向反復(fù)峰值電流額定值應(yīng)大于IP；如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中未提供該參數(shù)，則平均正向電流額定值應(yīng)大于：0.5*IP。

17．根據(jù)以下公式確定阻尼電阻的大小(如使用)。

18．阻尼電阻的功率額定值應(yīng)大于。

完成初始設(shè)計(jì)后，應(yīng)制作一個(gè)原型來(lái)檢驗(yàn)電源性能，因?yàn)樽儔浩髀└袝?huì)因繞組技術(shù)的不同而有極大差異。特別是，應(yīng)當(dāng)測(cè)量平均電壓Vclamp，并將之與步驟7中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較(圖5)。如有任何差異，可通過(guò)調(diào)整Rclamp值來(lái)糾正。如果測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相差懸殊，則必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其他箝位類型及其每個(gè)額外元件大小的確定步驟都是一樣的。在選擇二極管和齊納穩(wěn)壓管時(shí)必須特別注意，以確保不會(huì)超過(guò)它們的功率額定值。在要求使用齊納穩(wěn)壓功能的大部分設(shè)計(jì)中，應(yīng)使用瞬態(tài)電壓抑制器來(lái)提供所需的瞬時(shí)峰值額定功率。

應(yīng)在電源滿載及最低輸入電壓條件下測(cè)量元件體的溫度，檢驗(yàn)其功率額定值是否正確。如有元件的工作溫度超出制造商的建議溫度限值，應(yīng)重新調(diào)整其大小，并根據(jù)原型結(jié)果仔細(xì)*估設(shè)計(jì)。

嚴(yán)格按照《確定箝位大小的設(shè)計(jì)指南》中的詳細(xì)步驟進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)獲得高度優(yōu)化的高效箝位設(shè)計(jì)。請(qǐng)登錄PI電源設(shè)計(jì)論壇與同行進(jìn)行交流，您將會(huì)獲得更多所需信息和問題答案。