反激式電源中MOSFET的鉗位電路

輸出功率100W以下的AC/DC電源通常都采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種電源成本較低，使用一個控制器就能提供多路輸出跟蹤，因此受到設(shè)計師們的青睞，且已成為元件數(shù)少的AC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計結(jié)構(gòu)。不過，反激式電源的一個缺點(diǎn)是會對初級開關(guān)元件產(chǎn)生高應(yīng)力。

　　反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，是在電源導(dǎo)通期間將能量儲存在變壓器中，在關(guān)斷期間再將這些能量傳遞到輸出。反激式變壓器由一個磁芯上的兩個或多個耦合繞組構(gòu)成，激磁能量在被傳遞到次級之前，一直儲存在磁芯的串聯(lián)氣隙間。實際上，繞組之間的耦合從不會達(dá)到完美匹配，并且不是所有的能量都通過該氣隙進(jìn)行傳遞。少量的能源儲存在繞組內(nèi)和繞組之間，這部分能量被稱為變壓器漏感。開關(guān)斷開后，漏感能量不會傳遞到次級，而是在變壓器初級繞組和開關(guān)之間產(chǎn)生高壓尖峰。此外，還會在斷開的開關(guān)和初級繞組的等效電容與變壓器的漏感之間，產(chǎn)生高頻振鈴(圖1)。

圖1：漏感產(chǎn)生的漏極節(jié)點(diǎn)開關(guān)瞬態(tài)

　　如果該尖峰的峰值電壓超過開關(guān)元件(通常為功率MOSFET)的擊穿電壓，就會導(dǎo)致破壞性故障。此外，漏極節(jié)點(diǎn)的高幅振鈴還會產(chǎn)生大量EMI。對于輸出功率在約2W以上的電源來說，可以使用鉗位電路來安全耗散漏感能量，達(dá)到控制MOSFET電壓尖峰的目的。

　　鉗位的工作原理

　　鉗位電路用于將MOSFET上的最大電壓控制到特定值，一旦MOSFET電壓達(dá)到閾值，所有額外的漏感能量都會轉(zhuǎn)移到鉗位電路，或者先儲存起來慢慢耗散，或者重新送回主電路。鉗位的一個缺點(diǎn)是它會耗散功率并降低效率，因此，有許多不同類型的鉗位電路可供選擇(圖2)。有多種鉗位使用齊納二極管來降低功耗，但它們會在齊納二極管快速導(dǎo)通時增加EMI的產(chǎn)生量。RCD鉗位能夠很好地平衡效率、EMI產(chǎn)生量和成本，因此最為常用。

圖2：不同類型的鉗位電路

　　鉗位

　　RCD鉗位的工作原理為：MOSFET關(guān)斷后，次級二極管立即保持反向偏置，勵磁電流對漏極電容充電(圖3a)。當(dāng)初級繞組電壓達(dá)到由變壓器匝數(shù)所定義的反射輸出電壓(VOR)時，次級二極管關(guān)斷，勵磁能量傳遞到次級。漏感能量繼續(xù)對變壓器和漏極電容充電，直到初級繞組電壓等于箝位電容電壓(圖3b)。

圖3：RCD鉗位電路的初級側(cè)鉗位

　　Vc=鉗位電壓

　　此時，阻斷二極管導(dǎo)通，漏感能量被轉(zhuǎn)移到鉗位電容(圖4a)。經(jīng)由電容吸收的充電電流將漏極節(jié)點(diǎn)峰值電壓鉗位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全轉(zhuǎn)移后，阻斷二極管關(guān)斷，鉗位電容放電到鉗位電阻，直到下一個周期開始(圖4b)。通常會添加一個小電阻與阻斷二極管串聯(lián)，以衰減在充電周期結(jié)束時變壓器電感和鉗位電容之間產(chǎn)生的任何振蕩。這一完整周期會在鉗位電路中造成電壓紋波(稱為VDELTA)，紋波幅度通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容和電阻的大小來控制(圖5)。

圖4：RCD鉗位的工作原理

　　鉗位電阻消耗漏感能量

　　RCDZ鉗位與RCD鉗位的工作原理相同，不同點(diǎn)在于它通過齊納二極管與電阻串聯(lián)來分擔(dān)耗散(圖2)。齊納二極管可防止電容放電至齊納二極管阻斷電壓以下，這樣可限制功率耗散并提升效率，特別是在輕載時非常有用。ZD鉗位對由齊納二極管的阻斷電壓指定的MOSFET電壓提供硬鉗位。RCD+Z鉗位與RCD鉗位的工作方式相同，所添加的齊納二極管對瞬態(tài)條件下的MOSFET電壓提供硬鉗位，并且前者在正常工作條件下的EMI生成特性，也與RCD鉗位相同。

圖5：RCD鉗位電壓的基準(zhǔn)測量

　　鉗位設(shè)計必須同時考慮變壓器和MOSFET的特性。如果最低鉗位電壓低于變壓器的VOR，鉗位將充當(dāng)一個負(fù)載，耗散的不僅僅是漏感能量。如果鉗位元件過小，它們可能變得過熱，無法預(yù)防危險的電壓，并會產(chǎn)生不必要的EMI。最為重要的是，鉗位必須對各種電源輸入電壓、負(fù)載電流和元件容差條件下的MOSFET提供保護(hù)。

　　Power Integrations公司發(fā)布的《確定鉗位大小的設(shè)計指南》(PI-DG-101)，對反激式電源所用到的四種主要鉗位電路分別提供了確定元件大小的詳細(xì)步驟。該設(shè)計指南可與PI Expert設(shè)計軟件配合使用。PI Expert是一款交互式程序，它可以根據(jù)設(shè)計師的電源規(guī)格自動確定關(guān)鍵元件(包括變壓器規(guī)格)，從而完成一個有效的開關(guān)電源的設(shè)計。PI Expert可自動生成鉗位設(shè)計，但其結(jié)果將比《確定鉗位大小的設(shè)計指南》中的以下算法所生成的稍為保守些。

　　確定RCD鉗位的大小

　　這里介紹了設(shè)計RCD鉗位時需要遵循的步驟摘要。完整的細(xì)節(jié)內(nèi)容，請參閱《確定鉗位大小的設(shè)計指南》。下面所提到的所有值，均非由用戶測量或定義，可在PI Expert的設(shè)計結(jié)果選項卡中找到。

　　1．測量變壓器的初級漏感LL。

　　2．檢查您的設(shè)計的開關(guān)頻率fs。

　　3．確定正確的初級電流IP，方法如下：如果設(shè)計采用功率限制設(shè)定，則IP=ILIMITEXT；如果設(shè)計采用外部流限設(shè)定，則IP=ILIMITEXT；對于所有其他設(shè)計，IP=IILIMITMAX。

　　4．確定初級MOSFET所允許的總電壓，并根據(jù)以下公式計算Vmaxclamp。

　　建議至少應(yīng)維持低于MOSFET的BVDSS 50V的電壓裕量，并另外留出30V到50V的電壓裕量，以滿足瞬態(tài)電壓要求。

　　5．確定鉗位電路的電壓紋波VDELTA。

　　6．根據(jù)以下公式計算鉗位電路的最小電壓。

　　7．根據(jù)以下公式計算鉗位電路的平均電壓Vclamp。

　　8．根據(jù)以下公式計算漏感中儲存的能量。

　　9．根據(jù)以下公式估算鉗位中的能量耗散Eclamp。

　　10．根據(jù)以下公式計算鉗位電阻值。

　　11．鉗位電阻的功率額定值應(yīng)大于

　　12．根據(jù)以下公式計算鉗位電容值。

　　13．鉗位電容的電壓額定值應(yīng)大于1.5*Vmaxclamp。

　　14．應(yīng)使用快速或超快恢復(fù)二極管，將其用作鉗位電路中的阻斷二極管。

　　15．阻斷二極管的峰值反向電壓應(yīng)大于1.5*Vmaxclamp。

　　16．阻斷二極管的正向反復(fù)峰值電流額定值應(yīng)大于IP；如果數(shù)據(jù)手冊中未提供該參數(shù)，則平均正向電流額定值應(yīng)大于：0.5*IP。

　　17．根據(jù)以下公式確定阻尼電阻的大小(如使用)。

　　18．阻尼電阻的功率額定值應(yīng)大于

　　完成初始設(shè)計后，應(yīng)制作一個原型來檢驗電源性能，因為變壓器漏感會因繞組技術(shù)的不同而有極大差異。特別是，應(yīng)當(dāng)測量平均電壓Vclamp，并將之與步驟7中的計算結(jié)果進(jìn)行比較(圖5)。如有任何差異，可通過調(diào)整Rclamp值來糾正。如果測試結(jié)果與預(yù)期相差懸殊，則必須重新進(jìn)行設(shè)計。

　　其他鉗位類型及其每個額外元件大小的確定步驟都是一樣的。在選擇二極管和齊納穩(wěn)壓管時必須特別注意，以確保不會超過它們的功率額定值。在要求使用齊納穩(wěn)壓功能的大部分設(shè)計中，應(yīng)使用瞬態(tài)電壓抑制器來提供所需的瞬時峰值額定功率。

　　應(yīng)在電源滿載及最低輸入電壓條件下測量元件體的溫度，檢驗其功率額定值是否正確。如有元件的工作溫度超出制造商的建議溫度限值，應(yīng)重新調(diào)整其大小，并根據(jù)原型結(jié)果仔細(xì)*估設(shè)計。

　　嚴(yán)格按照《確定鉗位大小的設(shè)計指南》中的詳細(xì)步驟進(jìn)行計算，將會獲得高度優(yōu)化的高效鉗位設(shè)計。請登錄PI電源設(shè)計論壇與同行進(jìn)行交流，您將會獲得更多所需信息和問題答案。