中心議題：
- 開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及實(shí)例
- 開(kāi)關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)
本文首先闡述開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟，并給出一種典型鉗位保護(hù)電路的設(shè)計(jì)實(shí)例；然后對(duì)開(kāi)關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)做深入分析，并從中得出了結(jié)論。
0 引言
開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的作用是當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管（MOSFET）關(guān)斷時(shí)，對(duì)由高頻變壓器漏感所形成的尖峰電壓進(jìn)行鉗位和吸收，以防止MOSFET因過(guò)電壓而損壞。散熱器的作用則是將單片開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)掉，避免因散熱不良導(dǎo)致管芯溫度超過(guò)最高結(jié)溫，使開(kāi)關(guān)電源無(wú)法正常工作，甚至損壞芯片。
下面分別闡述漏極鉗位保護(hù)電路和散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)。
1 設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源漏極鉗位保護(hù)電路的要點(diǎn)及實(shí)例
下面以最典型的一種漏極鉗位保護(hù)電路為例，詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)實(shí)例。
1）設(shè)計(jì)實(shí)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R 1）、阻尼電阻（R 2）和阻塞二極管（快恢復(fù)二極管FR106）構(gòu)成的VDZ、R、C、VD型漏極鉗位保護(hù)電路，如圖1所示。選擇TOPswitch-HX系列TOP258P芯片，開(kāi)關(guān)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(shí)測(cè)高頻變壓器的一次側(cè)漏感L 0=20μH。
圖1 最典型的一種漏極鉗位保護(hù)電路
2）設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(yīng)電壓（亦稱二次側(cè)反射電壓）為UOR ，要求：
1.5U OR≤U Q（max）≤200V
實(shí)際可取U Q（max）=U B=200V.
（3）計(jì)算最大允許漏極電壓U D（max）
為安全起見(jiàn)，U D （ max）至少應(yīng)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(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度T A=25℃時(shí)，U B=200V;當(dāng)T A=100℃時(shí)，UB=200V×［（1+0.108）%/℃］×100℃=221.6V，可升高21.6V。
（4）計(jì)算鉗位電路的紋波電壓。
URI=0.1U Q（max）=0.1U B=0.1×200V=20V
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（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(jì)算鉗位電路的平均電壓。
（7）計(jì)算在一次側(cè)漏感上存儲(chǔ)的能量E L0
（8）計(jì)算被鉗位電路吸收的能量EQ
當(dāng)1.5W≤P O≤50W時(shí)，E Q=0.8E L0=0.8×27.2μJ=21.8μJ
注意：當(dāng)P O>50W時(shí)，E Q=E L0=27.2μJ.當(dāng)P O<1.5W時(shí)，不要求使用鉗位電路。
（9）計(jì)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(jì)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R1、C確定的時(shí)間常數(shù)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(jiǎn)后得到：
τ=R1C =9.47/f=9.47T （μs）
這表明R 1、C 的時(shí)間常數(shù)與開(kāi)關(guān)周期有關(guān)，在數(shù)值上它就等于開(kāi)關(guān)周期的9.47倍。當(dāng)f=132kHz時(shí)，開(kāi)關(guān)周期T =7.5μs，τ=9.47×7.5μs=71.0μs.
實(shí)取鉗位電阻R1=1 5 kΩ，鉗位電容C =4.7nF.此時(shí)τ=70.5μs.
當(dāng)鉗位保護(hù)電路工作時(shí)，R 1上的功耗為：
考慮到鉗位保護(hù)電路僅在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷所對(duì)應(yīng)的半個(gè)周期內(nèi)工作，R 1的實(shí)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(shí)際耐壓值取1kV.
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（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(fù)二極管FR106（1A/800V，正向峰值電流可達(dá)30A）。要求其正向峰值電流遠(yuǎn)大于IP（這里為30A>1.65A）。
說(shuō)明：這里采用快恢復(fù)二極管而不使用超快恢復(fù)二極管，目的是配合阻尼電阻R 2，將部分漏感能量傳輸?shù)蕉蝹?cè)，以提高電源效率。
（13）計(jì)算阻尼電阻R 2.
有時(shí)為了提高開(kāi)關(guān)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R 2.在R 2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(lái)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(yīng)電壓U OR上，因此可被高頻變壓器傳輸?shù)蕉蝹?cè)。
阻尼電阻應(yīng)滿足以下條件：
即：
實(shí)取20Ω/2W的電阻。
2 開(kāi)關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
下面對(duì)開(kāi)關(guān)電源散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作進(jìn)一步分析。以TOPSwitch-GX（TOP242~TOP250）系列單片開(kāi)關(guān)電源為例，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏-源極導(dǎo)通電流（I DS（ON） ）與漏-源極導(dǎo)通電壓（U DS（ON） ）的歸一化曲線如圖2所示。
圖2 當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏-源極導(dǎo)通電流I DS（ON）與漏-源極導(dǎo)通電壓U DS（ON）的歸一化曲線
說(shuō)明：
（1）定義R DS（ON） =U D（ON） /I DS（ON） 。
（2）圖2是以TOP249Y為參考，此時(shí)k=1.00.
（3）求漏-源極導(dǎo)通電流時(shí)應(yīng)乘以k，求漏-源極通態(tài)電阻時(shí)應(yīng)除以k.
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（4）k值所代表的就是TOPSwitch-GX系列中不同型號(hào)芯片的通態(tài)電阻比值，它也是極限電流比值。例如TOP249Y的R DS（ON） =2.15Ω（典型值），TOP250Y的R DS（ON） =1.85Ω（典型值），2.15Ω/1.85Ω=1.162，而對(duì)TOP250Y而言，比例系數(shù)k=1.17，二者基本相符。TOP249Y、TOP250Y的I LIMIT分別為5.40A、6.30A（典型值），6.30A/5.40A=1.167≈1.17.
（5）在相同的輸出功率下I DS（ON）可視為恒定值，而芯片的功耗隨所選TOPSwitch-GX型號(hào)的增大而減小，隨型號(hào)的減小而增大。因此選擇較大的型號(hào)TOP250Y，其功耗要比TOP249Y更低。
當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)漏極功耗P D與漏-源極關(guān)斷電壓U DS（OFF）的歸一化曲線如圖3所示。
圖3 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)漏極功耗PD與漏-源極關(guān)斷電壓UDS（OFF）的歸一化曲線
說(shuō)明：因MOSFET在關(guān)斷損耗時(shí)的很?。ㄖ挥袔装俸镣撸?，故一般可忽略不計(jì)。
設(shè)計(jì)要求：選擇TO-220-7C封裝的TOP249Y型單片開(kāi)關(guān)電源集成電路，設(shè)計(jì)70W（19V、3.6A）通用開(kāi)關(guān)電源。已知TOP249Y的極限結(jié)溫為150℃，最高工作結(jié)溫T JM=125℃，最高環(huán)境溫度T AM=40℃。試確定鋁散熱器的參數(shù)。
設(shè)計(jì)方法：考慮到最不利的情況，芯片結(jié)溫T J可按100℃計(jì)算。從TOP249Y的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到它在T J=100℃時(shí)的R DS（ON） =2.15Ω（典型值），極限電流I LIMIT=5.40A（典型值）。由于芯片總是降額使用的，實(shí)際可取I DS（ON） =0.8I LIMIT=4.32A.考慮到I DS（ON）在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)是近似按照線性規(guī)律從零增加到最大值的（參見(jiàn)圖2），因此應(yīng)對(duì)其取平均值，即：
分析與結(jié)論：
（1）選用TOP250Y可輸出更大的功率。若與TOP249Y輸出同樣的70W功率，因
不變，僅RDS （ON ）減小了，故：
這表明，在同樣的輸出功率下，TOP250Y的損耗更小。
（2）利用特性曲線可驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。從圖2中的虛線（TJ=100℃）上查出=2.16A時(shí)所對(duì)應(yīng)的UDS（ON）=4.5V.若根據(jù)U DS（ON）值計(jì)算，則：
比前面算出的10.0W略低一點(diǎn)。這是由于該特性曲線呈非線性的緣故，致使后者的數(shù)值偏低些。
（3）若考慮到還有關(guān)斷損耗，從圖3中可查出PD=510mW=0.51W（UDS（OFF）=600V）。假定占空比為50%，在計(jì)算平均功耗時(shí)應(yīng)將關(guān)斷損耗除以2。因此PD=9.72W+0.51W/2=9.975W，該結(jié)果就與10.0W非常接近。
3 結(jié)束語(yǔ)
設(shè)計(jì)漏極鉗位保護(hù)電路的主要任務(wù)包括電路選擇、元器件選擇和參數(shù)計(jì)算。其關(guān)鍵技術(shù)是首先根據(jù)一次側(cè)漏感上存儲(chǔ)的能量E L0，來(lái)推算出鉗位電路所吸收的能量E Q，進(jìn)而計(jì)算出鉗位電容和鉗位電阻的參數(shù)值。本文所介紹的散熱器設(shè)計(jì)方法是根據(jù)開(kāi)關(guān)電源芯片廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)及原始圖表，通過(guò)計(jì)算芯片的平均功耗來(lái)完成設(shè)計(jì)的。但需注意，在相同的輸出功率下（即I DS（ON）不變），選擇輸出功率較大的開(kāi)關(guān)電源芯片可降低功耗，提高電源效率。
