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

開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的作用是當(dāng)功率開(kāi)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(guò)電壓而損壞。散熱器的作用則是將單片開(kāi)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(guò)最高結(jié)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(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(kāi)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(jiàn)《電源技術(shù)應(yīng)用》2009年第12期)，介紹了反激式開(kāi)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(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(cè)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(jiàn)，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 O<1.5W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(jiǎn)后得到：

τ=R 1C =9.47/f=9.47T (μs)

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這表明R 1、C 的時(shí)間常數(shù)與開(kāi)關(guān)周期有關(guān)，在數(shù)值上它就等于開(kāi)關(guān)周期的9 . 4 7倍。當(dāng)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(dāng)鉗位保護(hù)電路工作時(shí)，R 1上的功耗為：

考慮到鉗位保護(hù)電路僅在功率開(kāi)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.

(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(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I P(這里為30A》1.65A)。

說(shuō)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。

(13)計(jì)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：

即：

實(shí)取20Ω/2W的電阻。

2 開(kāi)關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在"開(kāi)關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)"一文中(詳見(jiàn)《電源技術(shù)應(yīng)用》2010年第1期)，介紹了通過(guò)計(jì)算芯片的平均功耗

來(lái)完成散熱器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便實(shí)用方法。下面再對(duì)開(kāi)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(kāi)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。

圖2 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

說(shuō)明：

(1)定義R DS(ON) =U D(ON) /I DS(ON) 。

(2)圖2是以TOP249Y為參考，此時(shí)k=1.00.

(3)求漏-源極導(dǎo)通電流時(shí)應(yīng)乘以k,求漏-源極通態(tài)電阻時(shí)應(yīng)除以k.

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(4)k值所代表的就是TOPSwitch-GX系列中不同型號(hào)芯片的通態(tài)電阻比值，它也是極限電流比值。例如TOP249Y的R DS(ON) =2.15Ω(典型值)，TOP250Y的R DS(ON) =1.85Ω(典型值)，2.15Ω/1.85Ω=1.162,而對(duì)TOP250Y而言，比例系數(shù)k=1.17,二者基本相符。TOP249Y、TOP250Y的I LIMIT分別為5.40A、6.30A(典型值)，6.30A/5.40A=1.167≈1.17.

(5)在相同的輸出功率下I DS(ON)可視為恒定值，而芯片的功耗隨所選TOPSwitch-GX型號(hào)的增大而減小，隨型號(hào)的減小而增大。因此選擇較大的型號(hào)TOP250Y,其功耗要比TOP249Y更低。

當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)漏極功耗P D與漏-源極關(guān)斷電壓U DS(OFF)的歸一化曲線如圖3所示。

圖3 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)漏極功耗PD與漏-源極關(guān)斷電壓UDS(OFF)的歸一化曲線

說(shuō)明：因MOSFET在關(guān)斷損耗時(shí)的很小(只有幾百毫瓦)，故一般可忽略不計(jì)。

設(shè)計(jì)要求：選擇TO-220-7C封裝的TOP249Y型單片開(kāi)關(guān)電源集成電路，設(shè)計(jì)70W(19V、3.6A)通用開(kāi)關(guān)電源。已知TOP249Y的極限結(jié)溫為150℃，最高工作結(jié)溫T JM=125℃，最高環(huán)境溫度T AM=40℃。試確定鋁散熱器的參數(shù)。

設(shè)計(jì)方法：考慮到最不利的情況，芯片結(jié)溫T J可按100℃計(jì)算。從TOP249Y的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到它在T J=100℃時(shí)的R DS(ON) =2.15Ω(典型值)，極限電流I LIMIT=5.40A(典型值)。由于芯片總是降額使用的，實(shí)際可取I DS(ON) =0.8I LIMIT=4.32A.考慮到I DS(ON)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)是近似按照線性規(guī)律從零增加到最大值的(參見(jiàn)圖2)，因此應(yīng)對(duì)其取平均值，即：

分析與結(jié)論：

(1)選用TOP250Y可輸出更大的功率。若與TOP249Y輸出同樣的70W功率，因

不變，僅R DS (ON )減小了，故：

這表明，在同樣的輸出功率下，TOP250Y的損耗更小。

(2)利用特性曲線可驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。從圖2中的虛線(T J=100℃)上查出

=2.16A時(shí)所對(duì)應(yīng)的U DS(ON) =4.5V.若根據(jù)U DS(ON)值計(jì)算，則：

比前面算出的10.0W略低一點(diǎn)。這是由于該特性曲線呈非線性的緣故，致使后者的數(shù)值偏低些。

(3)若考慮到還有關(guān)斷損耗，從圖3中可查出P D=510mW=0.51W(U DS(OFF) =600V)。假定占空比為50%,在計(jì)算平均功耗時(shí)應(yīng)將關(guān)斷損耗除以2.因此

=9.72W+0.51W/2=9.975W,該結(jié)果就與10.0W非常接近。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)漏極鉗位保護(hù)電路的主要任務(wù)包括電路選擇、元器件選擇和參數(shù)計(jì)算。其關(guān)鍵技術(shù)是首先根據(jù)一次側(cè)漏感上存儲(chǔ)的能量E L0,來(lái)推算出鉗位電路所吸收的能量E Q,進(jìn)而計(jì)算出鉗位電容和鉗位電阻的參數(shù)值。本文所介紹的散熱器設(shè)計(jì)方法是根據(jù)開(kāi)關(guān)電源芯片廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)及原始圖表，通過(guò)計(jì)算芯片的平均功耗來(lái)完成設(shè)計(jì)的。但需注意，在相同的輸出功率下(即I DS(ON)不變)，選擇輸出功率較大的開(kāi)關(guān)電源芯片可降低功耗，提高電源效率。