开关电源钳位保护电路及散热器的设计
发布时间：2011-12-11 14:35
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摘 要：首先阐述开关电源漏极钳位保护电路的设计要点及步骤，并给出一种典型钳位保护电路的设计实例；然后对开关电源散热器的设计做深入分析，并从中得出了结论。 0 引言 开关电源漏极钳位保护电路的作用是当功率开关管（MOSFET）关断时，对由高频变压器漏感所形成的尖峰电压进行钳位和吸收，以防止MOSFET因过电压而损坏。散热器的作用则是将单片开关电源内部产生的热量及时散发掉，避免因散热不良导致管芯温度超过最高结温，使开关电源无法正常工作，甚至损坏芯片。 下面分别阐述漏极钳位保护电路和散热器的设计要点、设计方法及注意事项。 1 设计开关电源漏极钳位保护电路的要点及实例 在“输入整流滤波器及钳位保护电路的设计”一文中,介绍了反激式开关电源漏极钳位保护电路的工作原理。下面以最典型的一种漏极钳位保护电路为例，详细阐述其设计要点及设计实例。 1）设计实例 采用由瞬态电压抑制器TVS（P6KE200，亦称钳位二极管）、阻容吸收元件（钳位电容C和钳位电阻R 1）、阻尼电阻（R 2）和阻塞二极管（快恢复二极管FR106）构成的VDZ、R、C、VD型漏极钳位保护电路，如图1所示。选择TOPswitch-HX系列TOP258P芯片，开关频率f=132kHz，u=85~265V，两路输出分别为UO1（+12V、2A）、UO2（+5V、2.2A）。P O=35W，漏极峰值电流I P=I LIMIT=1.65A.实测高频变压器的一次侧漏感L 0=20μH。 
图1 最典型的一种漏极钳位保护电路 2）设计要点及步骤 （1）选择钳位二极管。 采用P6KE200型瞬态电压抑制器（TVS），钳位电压UB=200V。 （2）确定钳位电压的最大值UQ（max）。 令一次侧感应电压（亦称二次侧反射电压）为UOR ，要求： 1.5U OR≤U Q（max）≤200V 实际可取U Q（max）=U B=200V. （3）计算最大允许漏极电压U D（max） 为安全起见，U D （ max）至少应比漏-源极击穿电压7 00V留出5 0V的余量。这其中还考虑到P6KE200具有0.108%/℃的温度系数，当环境温度T A=25℃时，U B=200V;当T A=100℃时，UB=200V×［（1+0.108）%/℃］×100℃=221.6V，可升高21.6V。 
URI=0.1U Q（max）=0.1U B=0.1×200V=20V （5）确定钳位电压的最小值U Q（min） UQ（min） =UQ（max） -URI=U B-0.1U B=90%U B=180V （6）计算钳位电路的平均电压。 
当1.5W≤P O≤50W时，E Q=0.8E L0=0.8×27.2μJ=21.8μJ 注意：当P O>50W时，E Q=E L0=27.2μJ.当P O<1.5W时，不要求使用钳位电路。 （9）计算钳位电阻R1 
（10）计算钳位电容C 
（11）选择钳位电容和钳位电阻。 令由R 1、C确定的时间常数为τ： 
 =0.95UB和f=132kHz一并代入上式，化简后得到：τ=R 1C =9.47/f=9.47T （μs） 这表明R 1、C 的时间常数与开关周期有关，在数值上它就等于开关周期的9 。 4 7倍。当f=132kHz时，开关周期T =7.5μs，τ=9.47×7.5μs=71.0μs. 实取钳位电阻R 1=1 5 kΩ，钳位电容C =4.7nF.此时τ=70.5μs. 当钳位保护电路工作时，R 1上的功耗为： 
令一次侧直流高压为U I（max）。钳位电容的耐压值U C>1.5U Q（max） +U I（max）=1.5×200V+265V×=674V.实际耐压值取1kV. （12）选择阻塞二极管VD 要求反向耐压U BR≥1.5U Q（max） =300V 采用快恢复二极管FR106（1A/800V，正向峰值电流可达30A）。要求其正向峰值电流远大于IP（这里为30A>1.65A）。 说明：这里采用快恢复二极管而不使用超快恢复二极管，目的是配合阻尼电阻R 2，将部分漏感能量传输到二次侧，以提高电源效率。 （13）计算阻尼电阻R 2. 有时为了提高开关电源的效率，还在阻塞二极管上面串联一只低阻值的阻尼电阻R 2.在R 2与漏极分布电容的共同作用下，可使漏感所产生尖峰电压的起始部分保留下来并产生衰减振荡，而不被RC电路吸收掉。通常将这种衰减振荡的电压称作振铃电压，由于振铃电压就叠加在感应电压U OR上，因此可被高频变压器传输到二次侧。 阻尼电阻应满足以下条件： 
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