當前位置:首頁 > 電源 > 功率器件
[導讀]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(nèi)部產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)掉,避免因

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(nèi)部產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)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(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)。P O=35W,漏極峰值電流I P=I LIMIT=1.65A.實測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電路

2)設計要點及步驟

(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)感應電壓(亦稱二次側(cè)反射電壓)為UOR ,要求:

1.5U OR≤U Q(max)≤200V

實際可取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,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(shù),當環(huán)境溫度T A=25℃時,U B=200V;當T A=100℃時,U B=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(cè)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,E Q=0.8E L0=0.8×27.2μJ=21.8μJ

注意:當P O>50W時,E Q=E L0=27.2μJ.當P O<1.5W時,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,化簡后得到:

 

τ=R 1C =9.47/f=9.47T (μs)

[!--empirenews.page--]

這表明R 1、C 的時間常數(shù)與開關周期有關,在數(shù)值上它就等于開關周期的9 . 4 7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R 1=1 5 kΩ,鉗位電容C =4.7nF.此時τ=70.5μs.

當鉗位保護電路工作時,R 1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(nèi)工作,R 1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(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I P(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R 2,將部分漏感能量傳輸?shù)蕉蝹?cè),以提高電源效率。

(13)計算阻尼電阻R 2.

有時為了提高開關電源的效率,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)。

阻尼電阻應滿足以下條件:

 

 

即:

 

 

實取20Ω/2W的電阻。

2 開關電源散熱器的設計要點

在"開關電源散熱器的設計"一文中(詳見《電源技術應用》2010年第1期),介紹了通過計算芯片的平均功耗

來完成散熱器設計的簡便實用方法。下面再對開關電源散熱器的設計要點作進一步分析。

 

以TOPSwitch-GX(TOP242~TOP250)系列單片開關電源為例,當MOSFET導通時漏-源極導通電流(I DS(ON) )與漏-源極導通電壓(U DS(ON) )的歸一化曲線如圖2所示。

 

 

圖2 當MOSFET導通時漏-源極導通電流I DS(ON)與漏-源極導通電壓U DS(ON)的歸一化曲線

說明:

(1)定義R DS(ON) =U D(ON) /I DS(ON) 。

(2)圖2是以TOP249Y為參考,此時k=1.00.

(3)求漏-源極導通電流時應乘以k,求漏-源極通態(tài)電阻時應除以k.

[!--empirenews.page--]

(4)k值所代表的就是TOPSwitch-GX系列中不同型號芯片的通態(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型號的增大而減小,隨型號的減小而增大。因此選擇較大的型號TOP250Y,其功耗要比TOP249Y更低。

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

 

 

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

說明:因MOSFET在關斷損耗時的很小(只有幾百毫瓦),故一般可忽略不計。

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

設計方法:考慮到最不利的情況,芯片結溫T J可按100℃計算。從TOP249Y的數(shù)據(jù)手冊中查到它在T J=100℃時的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,實際可取I DS(ON) =0.8I LIMIT=4.32A.考慮到I DS(ON)在一個開關周期內(nèi)是近似按照線性規(guī)律從零增加到最大值的(參見圖2),因此應對其取平均值,即:

 

 

分析與結論:

(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)利用特性曲線可驗證設計結果。從圖2中的虛線(T J=100℃)上查出

=2.16A時所對應的U DS(ON) =4.5V.若根據(jù)U DS(ON)值計算,則:

 

 

 

比前面算出的10.0W略低一點。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%,在計算平均功耗時應將關斷損耗除以2.因此

=9.72W+0.51W/2=9.975W,該結果就與10.0W非常接近。

 

3 結束語

設計漏極鉗位保護電路的主要任務包括電路選擇、元器件選擇和參數(shù)計算。其關鍵技術是首先根據(jù)一次側(cè)漏感上存儲的能量E L0,來推算出鉗位電路所吸收的能量E Q,進而計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計方法是根據(jù)開關電源芯片廠家提供的數(shù)據(jù)手冊及原始圖表,通過計算芯片的平均功耗來完成設計的。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關電源芯片可降低功耗,提高電源效率。

本站聲明: 本文章由作者或相關機構授權發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務連續(xù)性,提升韌性,成...

關鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務引領增長 以科技創(chuàng)新為引領,提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術創(chuàng)新聯(lián)...

關鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關鍵字: BSP 信息技術
關閉
關閉