開關電源鉗位保護電路及散熱器的設計要點

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部產生的熱量及時散發掉，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)。

令一次側感應電壓(亦稱二次側反射電壓)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，當環境溫度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 O1.5W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)