钜大LARGE | 点击量：1360次 | 2019年12月27日
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（详见<电源技术应用>2009年第12期），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R1）、阻尼电阻（R2）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）。PO=35W，漏极峰值电流IP=ILIMIT=1.65A.实测高频变压器的一次侧漏感L0=20μH。
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：
1.5UOR≤UQ（max）≤200V
实际可取UQ（max）=UB=200V.
（3）计算最大允许漏极电压UD（max）
为安全起见，UD（max）至少应比漏-源极击穿电压700V留出50V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TA=25℃时，UB=200V;当TA=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=0.1UQ（max）=0.1UB=0.1×200V=20V
（5）确定钳位电压的最小值UQ（min）
UQ（min）=UQ（max）-URI=UB-0.1UB=90%UB=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EL0
（8）计算被钳位电路吸收的能量EQ
当1.5W≤PO≤50W时，EQ=0.8EL0=0.8×27.2μJ=21.8μJ
注意：当PO>50W时，EQ=EL0=27.2μJ.当PO<1.5W时，不要求使用钳位电路。
（9）计算钳位电阻R1
式中，UQ的量纲为［L］2［M］［T］-3［I］-1，f的量纲为［T］-1，R1的量纲为［L］2［M］［T］-3［I］-2
（10）计算钳位电容C
式中，EQ的量纲为［L］2［M］［T］-2，UQ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R1、C确定的时间常数为τ：
将UQ（max）=UB、UQ（min）=90%UB、=0.95UB和f=132kHz一并代入上式，化简后得到：
τ=R1C=9.47/f=9.47T（μs）
这表明R1、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。47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R1=15kΩ，钳位电容C=4.7nF.此时τ=70.5μs.
当钳位保护电路工作时，R1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，R1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UI（max）。钳位电容的耐压值UC>1.5UQ（max）+UI（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UBR≥1.5UQ（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R2，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R2.
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R2.在R2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UOR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：
即：
实取20Ω/2W的电阻。
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