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開關電源鉗位保護電路及散熱器的設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年12月27日  

摘要:首先闡述開關電源漏極鉗位保護電路的設計要點及步驟,并給出一種典型鉗位保護電路的設計實例;然后對開關電源散熱器的設計做深入分析,并從中得出了結論。


0引言


開關電源漏極鉗位保護電路的作用是當功率開關管(MOSFET)關斷時,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電源內部產生的熱量及時散發掉,避免因散熱不良導致管芯溫度超過最高結溫,使開關電源無法正常工作,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計要點、設計方法及注意事項。


1設計開關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計一文中(詳見<電源技術應用>2009年第12期),介紹了反激式開關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,詳細闡述其設計要點及設計實例。


1)設計實例


采用由瞬態電壓抑制器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(快恢復二極管FR106)構成的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漏感L0=20μH。



圖1最典型的一種漏極鉗位保護電路


2)設計要點及步驟


(1)選擇鉗位二極管。


采用P6KE200型瞬態電壓抑制器(TVS),鉗位電壓UB=200V。


(2)確定鉗位電壓的最大值UQ(max)。


令一次側感應電壓(亦稱二次側反射電壓)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,當環境溫度TA=25℃時,UB=200V;當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)計算在一次側漏感上存儲的能量EL0



(8)計算被鉗位電路吸收的能量EQ


當1.5W≤PO≤50W時,EQ=0.8EL0=0.8×27.2μJ=21.8μJ


注意:當PO>50W時,EQ=EL0=27.2μJ.當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的時間常數與開關周期有關,在數值上它就等于開關周期的9。47倍。當f=132kHz時,開關周期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管關斷所對應的半個周期內工作,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


采用快恢復二極管FR106(1A/800V,正向峰值電流可達30A)。要求其正向峰值電流遠大于IP(這里為30A>1.65A)。


說明:這里采用快恢復二極管而不使用超快恢復二極管,目的是配合阻尼電阻R2,將部分漏感能量傳輸到二次側,以提高電源效率。


(13)計算阻尼電阻R2.


有時為了提高開關電源的效率,還在阻塞二極管上面串聯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,可使漏感所產生尖峰電壓的起始部分保留下來并產生衰減振蕩,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電壓UOR上,因此可被高頻變壓器傳輸到二次側。


阻尼電阻應滿足以下條件:



即:



實取20Ω/2W的電阻。


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