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【干貨】開關(guān)電源RC吸收電路的分析!

發(fā)布時(shí)間:2020-02-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】我們常用的AC-DC開關(guān)電源中,由于初級(jí)線圈的漏感而再次級(jí)線圈上產(chǎn)生的瞬間反向脈沖是非常嚴(yán)重的。如下圖圖1,這是用MPS公司的MP020-5芯片搭建的AC-DC電路,這里測(cè)的是次級(jí)部分肖特基二極管兩端的波形。
    
一、問題背景
 
我們常用的AC-DC開關(guān)電源中,由于初級(jí)線圈的漏感而再次級(jí)線圈上產(chǎn)生的瞬間反向脈沖是非常嚴(yán)重的。如下圖圖1,這是用MPS公司的MP020-5芯片搭建的AC-DC電路,這里測(cè)的是次級(jí)部分肖特基二極管兩端的波形。我們知道,肖特基二極管的最大的作用就是防止變壓器初級(jí)線圈的瞬態(tài)反向脈沖通過次級(jí)線圈對(duì)后級(jí)電路造成沖擊,如果在芯片啟動(dòng)之后,后級(jí)肖特基二極管因?yàn)闊o法承受反向沖擊脈沖而造成短路,那么開關(guān)電源芯片會(huì)被瞬間擊穿。這里我是用的變壓器初級(jí)次級(jí)比值為1:3,而我們一般的反向瞬間脈沖約為700~1000V,甚至更多,我們根實(shí)際測(cè)得的波形可以看出,次級(jí)線圈的最大反向脈沖電壓為224V左右。我們?cè)诤芏嗟腁C-DC電源方案中都可以看到肖特基二極管并聯(lián)一個(gè)RC電路,但是我們不知道這兩個(gè)元器件的值怎么去選,因?yàn)閷?shí)際的設(shè)計(jì)中,我們不一定會(huì)按照方案中要求去選用一模一樣的變壓器,就比如MPS020-5推薦的變壓器匝數(shù)比為1:11,但是考慮到實(shí)際變壓器的體積,我們改為1:3,那么這個(gè)匝數(shù)比的改變會(huì)導(dǎo)致次級(jí)反向瞬間脈沖的不同,那么對(duì)于肖特基二極管的反向承受電壓就有一個(gè)嚴(yán)格的要求。那么如何能讓RC真正的起到作用而減少肖特基二極管的成本,或者說這個(gè)RC到底起一個(gè)什么作用。本文以實(shí)驗(yàn)的角度和大家一起討論這個(gè)問題。
 
【干貨】開關(guān)電源RC吸收電路的分析!
 
附:MP020-5開關(guān)電源原理圖
 
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二、分析問題
 
從系統(tǒng)控制理論的角度出發(fā),我們將這個(gè)次級(jí)的電路進(jìn)行模型化,如圖2和圖3。
 
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這里由于電容具有開關(guān)電源開啟瞬間短路的性質(zhì),所以R12和R15的后級(jí)都被短路了,等效電容C0為E3、E5電容并聯(lián)再與C2串聯(lián)。而電容串聯(lián)的計(jì)算是等效為電阻并聯(lián)的計(jì)算,即串聯(lián)的電容越小,等效電容越小,所以我們直接按最小的電容C2進(jìn)行計(jì)算,即等效電容C0為1.2nF,電感為變壓器的次級(jí)線圈,電阻R8(等效電阻為R0)為我們需要測(cè)定的值。
 
根據(jù)基爾霍夫電壓定律寫出RLC串聯(lián)諧振的微分方程,再進(jìn)行拉普拉斯變化可以看出,這個(gè)模型我們可以發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路,在控制系統(tǒng)中這是一個(gè)典型的二階系統(tǒng),具體的公式推導(dǎo)見圖4和圖5。
 
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這是一個(gè)典型的二階連續(xù)系統(tǒng),我們?cè)俅螌徱曔@個(gè)波形圖圖6可以發(fā)現(xiàn),這是一個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)圖像。瞬態(tài)響應(yīng)即在開關(guān)電源開啟的瞬間產(chǎn)生的響應(yīng)。
 
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二階系統(tǒng)下,瞬態(tài)響應(yīng)主要表現(xiàn)為三種狀態(tài):欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼。
欠阻尼響應(yīng)的曲線圖圖7
 
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欠阻尼由于阻尼不夠,系統(tǒng)在響應(yīng)瞬間會(huì)超過穩(wěn)態(tài)值,然后慢慢的通過振蕩來跌落到穩(wěn)態(tài)值,上圖的曲線表現(xiàn)出來的就是欠阻尼的狀態(tài)。也就是說,我們的電壓本來應(yīng)該達(dá)不到224V,但是在一個(gè)慣性的作用下,系統(tǒng)在達(dá)到了穩(wěn)定值之后超過了穩(wěn)定值,達(dá)到了一個(gè)最大值,然后慢慢落下維持在穩(wěn)定值的范圍內(nèi)。
 
臨界阻尼響應(yīng)的曲線圖圖8
 
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臨界阻尼下由于阻尼剛剛夠,系統(tǒng)在響應(yīng)瞬間慢慢的上升到穩(wěn)態(tài)值,不會(huì)產(chǎn)生慣性,我們的所需要的就是這樣一種波形。
 
RLC串聯(lián)諧振的拉普拉斯變換公式推導(dǎo)如圖圖9
 
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我們通過電橋測(cè)得L的值為260mH,L的值為變壓器次級(jí)線圈的電感值,C為1.2nF,帶入求出電阻R為1658Ω。
 
三、測(cè)試驗(yàn)證
 
根據(jù)得到的理論值可以得到在1658歐姆左右可以達(dá)到臨界阻尼,由于實(shí)際中手邊沒有1658歐姆的電阻,最大只有357歐姆,而焊盤只夠放兩個(gè)電阻串聯(lián),所以我將兩個(gè)357歐姆的電阻串聯(lián)得到714歐姆的電阻,然后將電路進(jìn)行測(cè)試,下圖為測(cè)得的波形圖圖10。
 
可以看出系統(tǒng)在響應(yīng)瞬間就很快的達(dá)到了穩(wěn)態(tài),而之前出現(xiàn)的欠阻尼的沖擊脈沖也被消除了,而反向電壓也被鉗制在-156V,當(dāng)然了這個(gè)阻值不能太大,在達(dá)到一定的值之后,系統(tǒng)會(huì)越過臨界阻尼,這個(gè)電阻的選值是一個(gè)范圍。另外還有一個(gè)就是這里的電容也要盡量的小,在nF級(jí),如果太大會(huì)造成芯片爆炸??偟膩碚f,在確定好RC的值之后,我們可以有效的抑制次級(jí)反向脈沖由于慣性對(duì)肖特基二極管造成的更大的電壓沖擊。這樣做的好處可以讓我們理解RC存在的理由,當(dāng)然還可以節(jié)約物料成本。之前使用的物料為SS320肖特基二極管,反向承受電壓為200V,經(jīng)常爆板,后來使用了ES3G,反向承受電壓為400V,雖然可以用但是物料比較貴。通過這種簡單的辦法可以更好的節(jié)約成本。
 
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