開關電源鉗位保護電路及散熱器的設計

　　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，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=0.1U 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）

　　這表明R 1、C 的時間常數與開關周期有關，在數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R 2，將部分漏感能量傳輸到二次側，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，可使漏感所產生尖峰電壓的起始部分保留下來并產生衰減振蕩，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到二次側。

　　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