开关电源钳位保护电路及散热器的设计

　摘 要：首先阐述开关电源漏极钳位保护电路的设计要点及步骤，并给出一种典型钳位保护电路的设计实例；然后对开关电源散热器的设计做深入分析，并从中得出了结论。
　　0 引言

　　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,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，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=85~265V，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=20μH。

　　

　　图1 最典型的一种漏极钳位保护电路

　　2）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 OR≤U 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）%/℃］×100℃=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=0.1×200V=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1.5W≤P O≤50W时，E Q=0.8E L0=0.8×27.2μJ=21.8μJ
　　注意：当P O>50W时，E Q=E L0=27.2μJ.当P O<1.5W时，不要求使用钳位电路。
　　（9）计算钳位电阻R1

　　

　　式中，U Q的量纲为［L］2［M］［T］-3［I］ -1 ，f的量纲为［T］ -1 ，R 1的量纲为［L］2［M］ ［T］-3［I］-2
　　（10）计算钳位电容C

　　

　　式中，E Q的量纲为［L］2［M］［T］ -2 ，U Q的量纲为［L］2［M］［T］ -3 ［I］ -1 ，C 的量纲为［L］［M］2［T］ -3［I］ -2
　　（11）选择钳位电容和钳位电阻。
　　令由R 1、C确定的时间常数为τ：

　　

　　将U Q（max） =U B、U Q（min） =90%U B、=0.95UB和f=132kHz一并代入上式，化简后得到：
　　τ=R 1C =9.47/f=9.47T （μs）
　　这表明R 1、C 的时间常数与开关周期有关，在数值上它就等于开关周期的9 。 4 7倍。当f=132kHz时，开关周期T =7.5μs，τ=9.47×7.5μs=71.0μs.
　　实取钳位电阻R 1=1 5 kΩ，钳位电容C =4.7nF.此时τ=70.5μs.
　　当钳位保护电路工作时，R 1上的功耗为：

　　

　　考虑到钳位保护电路仅在功率开关管关断所对应的半个周期内工作，R 1的实际功耗大约为1.2W（假定占空比为50%），因此可选用额定功率为2W的电阻。
　　令一次侧直流高压为U I（max）。钳位电容的耐压值U C>1.5U Q（max） +U I（max）=1.5×200V+265V×=674V.实际耐压值取1kV.
　　（12）选择阻塞二极管VD
　　要求反向耐压U BR≥1.5U 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30A>1.65A）。
　　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：