開(kāi)關(guān)電源鉗位保護電路及散熱器的設計

發(fā)布時(shí)間:2011-12-11 14:35    發(fā)布者:1046235000
 摘 要:首先闡述開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護電路的設計要點(diǎn)及步驟,并給出一種典型鉗位保護電路的設計實(shí)例;然后對開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護電路的作用是當功率開(kāi)關(guān)管(MOSFET)關(guān)斷時(shí),對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(guò)電壓而損壞。散熱器的作用則是將單片開(kāi)關(guān)電源內部產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)掉,避免因散熱不良導致管芯溫度超過(guò)最高結溫,使開(kāi)關(guān)電源無(wú)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(diǎn)、設計方法及注意事項。

  1 設計開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護電路的要點(diǎn)及實(shí)例

  在“輸入整流濾波器及鉗位保護電路的設計”一文中,介紹了反激式開(kāi)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,詳細闡述其設計要點(diǎn)及設計實(shí)例。
  1)設計實(shí)例
  采用由瞬態(tài)電壓抑制器TVS(P6KE200,亦稱(chēng)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(kāi)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漏感L 0=20μH。

  
  圖1 最典型的一種漏極鉗位保護電路

  2)設計要點(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)。
  令一次側感應電壓(亦稱(chēng)二次側反射電壓)為UOR ,要求:
  1.5U OR≤U Q(max)≤200V
  實(shí)際可取U Q(max)=U B=200V.
 。3)計算最大允許漏極電壓U D(max)
  為安全起見(jiàn),U D ( max)至少應比漏-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,當環(huán)境溫度T A=25℃時(shí),U B=200V;當T A=100℃時(shí),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=0.1U 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E L0
  
 。8)計算被鉗位電路吸收的能量EQ
  當1.5W≤P O≤50W時(shí),E Q=0.8E L0=0.8×27.2μJ=21.8μJ
  注意:當P O>50W時(shí),E Q=E L0=27.2μJ.當P O<1.5W時(shí),不要求使用鉗位電路。
 。9)計算鉗位電阻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(jiǎn)后得到:
  τ=R 1C =9.47/f=9.47T (μs)
  這表明R 1、C 的時(shí)間常數與開(kāi)關(guān)周期有關(guān),在數值上它就等于開(kāi)關(guān)周期的9 。 4 7倍。當f=132kHz時(shí),開(kāi)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.
  當鉗位保護電路工作時(shí),R 1上的功耗為:
  
  考慮到鉗位保護電路僅在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷所對應的半個(gè)周期內工作,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.
 。12)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(shuō)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R 2,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R 2.
  有時(shí)為了提高開(kāi)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(lái)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(chēng)作振鈴電壓,由于振鈴電壓就疊加在感應電壓U OR上,因此可被高頻變壓器傳輸到二次側。
  阻尼電阻應滿(mǎn)足以下條件:
  
  即:
  
  實(shí)取20Ω/2W的電阻。
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