鉅大LARGE | 點擊量：1433次 | 2019年12月27日
開關電源鉗位保護電路及散熱器的設計
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(jié)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(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(jié)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(cè)漏感L0=20μH。
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：
1.5UOR≤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(shù)，當環(huán)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(cè)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(shù)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(shù)與開關周期有關，在數(shù)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(nèi)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(cè)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?shù)蕉蝹?cè)，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(lián)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(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UOR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。
