1、反激式开关电源漏极钳位保护电路设计方案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(详见2009 年第12期)，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
2、，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=85265V，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=20H。图 1 最典型的一种漏极钳位保护电路2)
3、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 ORU 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)%/10
4、0=221.6V，可升高 21.6V。(4)计算钳位电路的纹波电压。URI=0.1U Q(max)=0.1U B=0.1200V=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。(7)计算在一次侧漏感上存储的能量 E L0(8)计算被钳位电路吸收的能量 EQ当 1.5WP O50W 时，E Q=0.8E L0=0.827.2J=21.8J注意：当 P O50W时，E Q=E L0=27.2J.当 P O1.5U Q(max) +U I(max)=1.5200V+265V=67
5、4V.实际耐压值取 1kV.(12)选择阻塞二极管 VD要求反向耐压 U BR1.5U 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 30A1.65A)。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
6、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：即：实取 20/2W 的电阻。2 开关电源散热器的设计要点在“开关电源散热器的设计”一文中(详见2010 年第 1期)，介绍了通过计算芯片的平均功耗来完成散热器设计的简便实用方法。下面再对开关电源散热器的设计要点作进一步分析。以 TOPSwitch-GX(TOP242TOP250)系列单片开关电源为例，当 MOSFET导通时漏-源极导通电流(I DS(ON) )与漏-源极导通电压(U DS(ON) )的归一化曲线如图 2所示。图 2 当 MOSFET导通时 漏-源
7、极导通电流 I DS(ON)与漏-源极导通电压 U DS(ON)的归一化曲线说明：(1)定义 R DS(ON) =U D(ON) /I DS(ON) 。(2)图 2是以 TOP249Y为参考，此时 k=1.00.(3)求漏-源极导通电流时应乘以 k，求漏-源极通态电阻时应除以 k.(4)k 值所代表的就是 TOPSwitch-GX系列中不同型号芯片的通态电阻比值，它也是极限电流比值。例如 TOP249Y的 R DS(ON) =2.15(典型值)，TOP250Y 的 R DS(ON) =1.85(典型值)，2.15/1.85=1.162，而对 TOP250Y而言，比例系数 k=1.17，二者基本
8、相符。TOP249Y、 TOP250Y的 I LIMIT分别为 5.40A、6.30A(典型值)，6.30A/5.40A=1.1671.17.(5)在相同的输出功率下 I DS(ON)可视为恒定值，而芯片的功耗随所选 TOPSwitch-GX型号的增大而减小，随型号的减小而增大。因此选择较大的型号 TOP250Y，其功耗要比TOP249Y更低。当 MOSFET关断时漏极功耗 P D与漏-源极关断电压 U DS(OFF)的归一化曲线如图 3所示。图 3 当 MOSFET关断时漏极功耗 PD与漏-源极关断电压 UDS(OFF)的归一化曲线说明：因 MOSFET在关断损耗时的很小(只有几百毫瓦)，故
9、一般可忽略不计。设计要求：选择 TO-220-7C封装的 TOP249Y型单片开关电源集成电路，设计70W(19V、3.6A)通用开关电源。已知 TOP249Y的极限结温为 150，最高工作结温 T JM=125，最高环境温度 T AM=40。试确定铝散热器的参数。设计方法：考虑到最不利的情况，芯片结温 T J可按 100计算。从 TOP249Y的数据手册中查到它在 T J=100时的 R DS(ON) =2.15(典型值)，极限电流 I LIMIT=5.40A(典型值)。由于芯片总是降额使用的，实际可取 I DS(ON) =0.8I LIMIT=4.32A.考虑到 I DS(ON)在一个开关
10、周期内是近似按照线性规律从零增加到最大值的(参见图 2)，因此应对其取平均值，即：分析与结论：(1)选用 TOP250Y可输出更大的功率。若与 TOP249Y输出同样的 70W功率，因不变，仅 R DS (ON )减小了，故：这表明，在同样的输出功率下，TOP250Y 的损耗更小。(2)利用特性曲线可验证设计结果。从图 2中的虚线(T J=100)上查出=2.16A时所对应的 U DS(ON) =4.5V.若根据 U DS(ON)值计算，则：比前面算出的 10.0W略低一点。这是由于该特性曲线呈非线性的缘故，致使后者的数值偏低些。(3)若考虑到还有关断损耗，从图 3中可查出 P D=510mW
11、=0.51W(U DS(OFF) =600V)。假定占空比为 50%，在计算平均功耗时应将关断损耗除以 2.因此=9.72W+0.51W/2=9.975W，该结果就与 10.0W非常接近。3 结束语设计漏极钳位保护电路的主要任务包括电路选择、元器件选择和参数计算。其关键技术是首先根据一次侧漏感上存储的能量 E L0，来推算出钳位电路所吸收的能量 EQ，进而计算出钳位电容和钳位电阻的参数值。本文所介绍的散热器设计方法是根据开关电源芯片厂家提供的数据手册及原始图表，通过计算芯片的平均功耗来完成设计的。但需注意，在相同的输出功率下(即 I DS(ON)不变)，选择输出功率较大的开关电源芯片可降低功耗，提高电源效率
