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開關(guān)電源鉗位保護(hù)電路及散熱器的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-12-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  開關(guān)電源漏極的作用是當(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。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(cè)高頻變壓器的一次側(cè)漏感L 0=20μH。

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

  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

 ?。?)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。

 ?。?)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),UB=200V×[(1+0.108)%/℃]×100℃=221.6V,可升高21.6V。

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

 ?。?)計(jì)算鉗位電路的紋波電壓。

  URI=0.1U Q(max)=0.1U B=0.1×200V=20V

 ?。?)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。

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

 ?。?)計(jì)算在一次側(cè)漏感上存儲(chǔ)的能量E L0

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

  (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

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

  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

 ?。?0)計(jì)算鉗位電容C

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

  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

 ?。?1)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:

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

  將U Q(max) =U B、U Q(min) =90%U B、開關(guān)電源鉗位保護(hù)電路及散熱器的設(shè)計(jì)=0.95UB和f=132kHz一并代入上式,化簡(jiǎn)后得到:

  τ=R 1C =9.47/f=9.47T (μs)

  這表明R 1、C 的時(shí)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 。 4 7倍。當(dāng)f=132kHz時(shí),開關(guān)周期T =7.5μs,τ=9.47×7.5μs=71.0μs.

  實(shí)取鉗位電阻R 1=1 5 kΩ,鉗位電容C =4.7nF.此時(shí)τ=70.5μs.

  當(dāng)鉗位保護(hù)電路工作時(shí),R 1上的功耗為:

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

  考慮到鉗位保護(hù)電路僅在功率開關(guān)管關(guān)斷所對(duì)應(yīng)的半個(gè)周期內(nèi)工作,R 1的實(shí)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U I(max)。鉗位電容的耐壓值U C>1.5U Q(max) +U I(max)=1.5×200V+265V×=674V.實(shí)際耐壓值取1kV.

 ?。?2)選擇阻塞二極管VD

  要求反向耐壓U BR≥1.5U Q(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R 2,將部分漏感能量傳輸?shù)蕉蝹?cè),以提高電源效率。

 ?。?3)計(jì)算阻尼電阻R 2.

  有時(shí)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R 2.在R 2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U OR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:

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

  即:

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

  實(shí)取20Ω/2W的電阻。

  2 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

  在“開關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)”一文中(詳見電源技術(shù)應(yīng)用>2010年第1期),介紹了通過計(jì)算芯片的平均功耗開關(guān)電源鉗位保護(hù)電路及散熱器的設(shè)計(jì)來完成散熱器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便實(shí)用方法。下面再對(duì)開關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作進(jìn)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(shí)漏-源極導(dǎo)通電流(I DS(ON) )與漏-源極導(dǎo)通電壓(U DS(ON) )的歸一化曲線如圖2所示。

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

  圖2 當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)

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