开关电源钳位保护电路及散热器的设计要点

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，U B=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 O1.5W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)