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電源設計之緩沖正向轉換器
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2012/11/8 12:47:00
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計算出要添加多少電容和電阻是一項頗具挑戰性的工作。下面介紹一條解決這一難題的捷徑。
圖1顯示了正向轉換器的功率級。該轉換器由變壓器運行,該變壓器將輸入電壓耦合至次級電路,再由次級電路完成對輸入電壓的整流和濾波。反射主電壓和變壓器漏電感形成低阻抗電路,當 D2 通過(guò)一個(gè)這樣電阻而被迫整流關(guān)閉 (commutate off) 時(shí),通常需要一個(gè)緩沖器。D2 可以是一個(gè)硅 p-n 二極管,該二極管具有一個(gè)必須在其關(guān)閉前實(shí)現耗盡的逆向恢復充電功能。這就積累 (loads up) 了漏電感中的過(guò)剩電流,從而導致高頻率振鈴和過(guò)高的二極管電壓。肖特基二極管和同步整流器也存在類(lèi)似情況,前者是因為其大結電容,后者是因為其關(guān)閉延遲時(shí)間問(wèn)題。

圖 1 漏電感延緩了D2關(guān)閉
圖 2 顯示了一些電路波形,頂部線(xiàn)跡為 Q1 漏電壓,中部線(xiàn)跡為 D1 和 D2 結點(diǎn)處的電壓,底部線(xiàn)跡為流經(jīng) D1 的電流。在頂部線(xiàn)跡中,您可以看到當 Q1 打開(kāi)時(shí),其漏電壓被降至輸入電壓以下,這樣就使得二極管 D1 電流增加。如果 D2 沒(méi)有逆向恢復充電功能,當 D1 電流等于輸出電流時(shí),結點(diǎn)電壓就會(huì )上升。由于 D2 具有逆向恢復充電功能,因此 D1 電流會(huì )進(jìn)一步增加,這便開(kāi)始消耗電荷。一旦電荷耗盡,二極管便關(guān)閉,從而導致增加的結點(diǎn)電壓進(jìn)一步提高。請注意,電流會(huì )不斷增加直到結點(diǎn)電壓等于反射輸入電壓為止,因為在漏電感兩端有一個(gè)正電壓。隨著(zhù)電流的增加,該電流將對寄生電容進(jìn)行充電并導致電路中振鈴和損耗更大。

圖 2 當D2關(guān)閉時(shí)D2會(huì )引起過(guò)多的振鈴
這些振鈴波形也許是人們所無(wú)法接受的,因為它們會(huì )引起 EMI 問(wèn)題或帶來(lái)二極管上讓人無(wú)法接受的電壓應力?缃 D2 的 RC 緩沖器可以在幾乎不影響效率的同時(shí)大大減少振鈴。您可以利用下面的方程式計算得出振鈴頻率(請參見(jiàn)方程式 1):
方程式 1:

但是您如何知道電路中 L 和 C 的值呢?竅門(mén)就是通過(guò)在 D2 兩端添加一個(gè)已知電容值的電容以降低振鈴頻率,這樣您就得到了兩個(gè)方程式以及兩個(gè)未知項。如果您添加了正好可以減半振鈴頻率的電容,那么就會(huì )使求出上述值變得更加輕松。要想降低一半頻率,您需要一個(gè) 4 倍于您一開(kāi)始使用的寄生電容的總電容。然后,只要將所添加的電容除以 3 就可以得到寄生電容。圖 3 顯示了頻率為最初振鈴頻率一半時(shí) D2 兩端 470 pF 電容的波形。因此,電路具有大約 150 pF 的寄生電容。請注意,只添加電容對振鈴的振幅作用很小,電路還需要一些電阻來(lái)阻尼振鈴。這就是電容因數 3 是開(kāi)始的好地方的另一個(gè)原因。如果選擇的電阻適當,那么該電阻就可以在對效率最小影響的同時(shí)提供卓越的阻尼效果。阻尼電阻的最佳值幾乎就是寄生元件的典型電阻(請參見(jiàn)方程式 2)。
方程式 2:
 
圖 3  將振鈴頻率提高兩倍完成寄生計算
使用具有 35 MHz 振鈴頻率的方程式 1 以及一個(gè) 150 pF 的寄生電容可以計算得出漏電感為 150 nH。把 150 nH 代入方程式 2 得出 一個(gè)大約為 30 Ohms 的緩沖器電阻值。圖 4 顯示了添加緩沖器電阻的影響。振鈴被完全消除且電壓應力也從 60V 降到了 40V。這樣我們就能選擇一個(gè)更低額定電壓的二極管,從而實(shí)現效率的提高。該過(guò)程的最后一步是計算緩沖器電阻損耗。使用方程式 3 可以完成該過(guò)程的最后一步,其中 f 為工作頻率:
方程式 3:
一旦完成計算,您就需要確定電路是否可以承受緩沖器中的損耗。如果不能的話(huà),您就需要在振鈴和緩沖器損耗間進(jìn)行權衡。如欲了解如何選擇最佳阻尼電阻的詳情,請參見(jiàn)第 3 頁(yè)的圖 3《電源設計小貼士 4》。
 
圖 4 選擇適當的緩沖器電阻器能完全消除振鈴
總而言之,緩沖正向轉換器是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程:1) 添加電容以減半振鈴頻率;2) 計算寄生電容和電感;3) 計算阻尼電阻以及電感 4) 確定電路損耗是否在可以接受的范圍內。

 
 
 
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