要保證電源的可靠工作，就必須限制最大漏極電壓。請?jiān)跓┟Φ墓ぷ髦嗌允滦菹?，來回答下面三個(gè)關(guān)于如何設(shè)計(jì)和控制開關(guān)電源中漏極電壓的問題，從而測試一下您的電源設(shè)計(jì)知識。

三種常見的箝位電路（A、B、C）

問題1：初級

問題：在下圖中，請選擇最符合所述要求的電路圖：

a. 低成本, 但能有效限制最大漏極電壓的箝位電路  

b. 能非常好控制漏極電壓, 同時(shí)有最小空載功耗和最高效率的箝位電路  

c. 一款能用于限制漏極峰值電壓同時(shí)能限制 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的電壓上升斜率的電路

參考答案與分析

問題：a）低成本、但能有效限制最大漏極電壓的箝位電路

參考答案：

耗散漏感能量最節(jié)省成本的方法就如電路‘B’，向 RC 網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)箝位二極管。這樣的電路稱之為“電阻-電容-二極管” （RCD）箝位電路。

漏感內(nèi)的能量將使漏極電壓升高，直到高于貯存在箝位電容 C 內(nèi)的電 壓，在這一點(diǎn)時(shí)二極管開始工作，漏極電壓得到箝制。電阻器 RB 的選擇要考慮到在正常箝位電壓 V 的情況下所耗散的能量CLO所消耗的能量等于每一周期貯存在箝位電容內(nèi)的能量。VCLO 通常設(shè)定在高于反射輸出電壓 50%左右，VOR。  

電阻器 RA 的選用值要能限制反向電流，以防止二極管‘階躍'，從而可能導(dǎo)致過分振蕩并可能出現(xiàn) EMI 問題。 同時(shí)也減緩了箝位二極管 D 內(nèi)的電流上升，并抑制了 EMI 的產(chǎn)生，允許漏感上的最大箝位電壓以最快、最有效地方式耗散能量。  

由于電路“B”成本較低，因此常用它作為漏極箝位電路。 但在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意，因?yàn)轶槲浑妷菏嵌鄠€(gè)元件公差和操作變量的函數(shù)（見問題3的答案）。

問題：b）一個(gè)控制良好的箝位電路，能夠在限制最大漏極電壓的同時(shí)使空載耗能最低、效率最高。

參考答案：

電路‘C’是一個(gè)良好控制的箝位電路，能夠在精確控制最大漏極電壓限值的同時(shí)使空載能耗最低、效率最高。

用一個(gè)穩(wěn)壓管或瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)精確設(shè)置箝位電壓 VCLO達(dá)到一 個(gè)特定的水平，使最大箝位電壓更 少地依賴于器件公差和操作變量。

這個(gè)電路的空載能耗更低是因?yàn)楫?dāng) 加在電容上的電壓下降到 VR 閾值以下時(shí),它將不再消耗能量。 相比之 下，一個(gè) RCD 箝位電路持續(xù)放電， 耗散的能量將在下一周期進(jìn)行補(bǔ)充，從次級電路獲取能量，因而導(dǎo)致更多不必要的損耗。

使用電容和串聯(lián)電阻器是為了降低對脈沖箝位電流的阻抗，同時(shí)在箝位二極管關(guān)閉、反向電流流動時(shí)提供 少量的電量貯存以提供電荷的抽取。 這樣更進(jìn)一步地降低了箝位損耗，使空載和待機(jī)時(shí)耗能極少。

問題：c）可以箝制漏極電壓或者可以限制關(guān)斷時(shí)漏極電壓上升斜率的一個(gè)電路。

電路‘A'即為在關(guān)閉時(shí)可用于箝制漏極電壓或限制漏極電壓上升斜率的電路。  

雖然它的元件與圖‘B'的 RCD 箝位電路的元件基本相同，但有一個(gè)關(guān)鍵的不同點(diǎn)，就是電容 C 內(nèi)貯存的所 有能量必須在關(guān)斷其間由直流電壓總線提供。 在電路‘B'中，用于向箝位電容充電的電流在只有一個(gè)變壓器的回路中流動。 在‘A'電路中，能量既流經(jīng)變壓器，也流經(jīng)初級大容量電容器。 這也就是說從供電那里吸收到并貯存在箝位電容內(nèi)的能量越多，在每一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量就越多,以保持一個(gè)穩(wěn)定的箝位 電壓。 由于其效率較低，這種電路通常不用作箝位電路。  

但是這種電路有其他的作用，而不是用作箝位電路。 如果 RC 的時(shí)間常數(shù)較小，那么 C 在 MOSFET 開啟時(shí) 間內(nèi)會放電。 在關(guān)閉時(shí)，來自變壓器的電流此時(shí)會立刻經(jīng)過串聯(lián)二極管流入到電容內(nèi)。 這樣電容會減緩漏極電壓的上升速度，特別是在較高的漏極電壓時(shí).此時(shí) MOSFET 的非線性漏極電容快速地下降。 這也為初級流動的電流提供了轉(zhuǎn)換路徑，這樣就避免了大容量電容,直流總線及地線上電流的突然變化了。 它還可以避免在供電干線上產(chǎn)生的差模噪音。 這兩種特點(diǎn)作為從源頭上降低 EMI 都是非常有用的。 這種方法比增加昂貴的感性線濾波器要便宜，而線濾波器對效率也有重要的影響。  

在低分布電容的變壓器中減緩上升速度允許 MOSFET 有更多的關(guān)閉時(shí)間，從而使 MOSFET 的能量消耗降低。 電阻器 R 消耗電容器的能量，因此當(dāng) MOSFET 開通時(shí)看不到多余的能量。 但是，這種電路的主要缺點(diǎn)是在上升時(shí)間上要想達(dá)到 任何理想的效果都會耗能非常大，必須注意它對整體系統(tǒng)效率的影響, 而且要權(quán)衡其它抑制 EMI 措施的成本。

問題2：高級

問題：在設(shè)計(jì)‘B'電路時(shí)，下面的回答哪一個(gè)正確，哪一個(gè)錯(cuò)誤？

a. 高漏感的變壓器能獲得最佳性能  

b. 嚴(yán)格控制的漏極電流限值會更好地控制漏極的峰值電壓。

c. 應(yīng)盡可能選用最快的二極管 D  

d. RA 應(yīng)盡量選用最低值  

e. RB 應(yīng)盡量選用最低值  

f. 重載會比輕載產(chǎn)生更高的漏極峰值電壓。  

g. 應(yīng)在公差條件最差時(shí)檢查漏極的峰值電壓。

參考答案與分析

問題：a）高漏感變壓器性能最好。

錯(cuò)誤：除了在某些特殊的諧振拓樸電路里，否則高漏感總是我們不希望的。

問題：b）嚴(yán)格控制漏極電流限值會對漏極的峰值電壓有更好的控制

正確：對漏極峰值電流的控制就是控制了貯存在漏極電感內(nèi)能量的多少。這也就更好地控制了在箝位電路中必須消耗的峰值能量，因而具有更穩(wěn)定的性能。

問題：c）應(yīng)盡可能選用較快的二極管 D  

錯(cuò)誤：在應(yīng)用時(shí)要認(rèn)真選擇箝位二極管的特性。在某些應(yīng)用中，由于關(guān)斷電流的循環(huán)，貯存在箝位電容內(nèi)的一些能量會流回到系統(tǒng)進(jìn)行再利用，因而一個(gè)較慢的二極管可能會 使系統(tǒng)效率大大提高。較慢的二極管還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它比快的二極管產(chǎn)生更少的 EMI，同時(shí)還可以提高 交叉穩(wěn)壓精度。然而，雖然當(dāng)需要考慮效率或 EMI 因素時(shí)可以使用慢的二極管，但也要特別注意在高應(yīng) 力情況下檢查二極管的溫度，因?yàn)槎O管在溫度升高時(shí)速度會更慢，如果選擇不當(dāng)會出現(xiàn)二極管過熱損壞 的現(xiàn)象。 通常情況下會使用一個(gè)串聯(lián)電阻器（RA）與慢速二極管連接，以幫助控制關(guān)斷特性。  

問題：d）RA 應(yīng)盡量選用最低值  

錯(cuò)誤：RA 應(yīng)選用使漏極峰值電壓保持在安全范圍內(nèi)的最高值。使 RA 值過低會提高二極管峰值電流，加快關(guān)閉時(shí)間，從而引起更高的 EMI。相反，RA 值較高雖然會消耗一些能量，但通常會通過降低恢復(fù)時(shí)間提高電源的總體效率。  

問題：e）RB 應(yīng)盡量選用最低值  

錯(cuò)誤：RB 應(yīng)選用使漏極的峰值電壓保持在安全范圍內(nèi)的最高值。RB 值較低會降低漏極峰值電壓，但同時(shí)也會迅速導(dǎo)致系統(tǒng)功耗的增加，因?yàn)樗鼤黾勇└须娏鞯幕謴?fù)時(shí)間，從而使從變壓器初級線圈內(nèi)轉(zhuǎn)移能量需要更長的時(shí)間。  

問題：f）較高的輸出負(fù)載將比較低的輸出負(fù)載產(chǎn)生更高的漏極峰值電壓。

正確：此處電壓模式、PWM 控制的，對于一個(gè)特定的變壓器設(shè)計(jì)，較高的輸出負(fù)載會導(dǎo)致較高的尖峰峰值電流，因而會導(dǎo)致更多的能量傳入到箝位系統(tǒng)中，產(chǎn)生較高的平均電壓。對于使用固定電流限值、開/關(guān)穩(wěn)壓控制的器件，此效果不是很明顯。然而，當(dāng)以較高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，跳過的周期數(shù)較少，因而箝位電容的平均電壓還會隨著負(fù)載的增加而升高。  

問題：g）應(yīng)在公差條件最差時(shí)檢查漏極的峰值電壓。  

正確：應(yīng)綜合考慮元件公差、負(fù)載（包括靜態(tài)負(fù)載和瞬態(tài)負(fù)載）、溫度和直流干線的影響, 在最壞情況下監(jiān)測器件，以保證漏極電壓保持在其額定限值的安全范圍內(nèi)。

問題3：專家級

問題：當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)箝位電路來確保漏極電壓不超出器件的安全范圍, 有哪些設(shè)計(jì)要點(diǎn)？應(yīng)怎樣測試來驗(yàn)證你的設(shè)計(jì)？

參考答案與分析

進(jìn)行任何箝位電路設(shè)計(jì)最開始一項(xiàng)工作都是確定 MOSFET 的最大容許漏極電壓。除此以外，為安全起見，留有 5-10%的安全裕量以應(yīng)對浪涌實(shí)驗(yàn)及外部交流供電失常：因此，在電源設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常將700V的MOSFET以 650 V 作為最差情況下最大漏極電壓的限定值。

由于箝位電壓是疊加在輸入供電干線上的，因此需要考慮供電電壓的極限值。 雖然電源通常都會標(biāo)定額定電壓的范圍，但在某些情況下會發(fā)生浪涌或電壓跳變（例如，輸入電壓的額定值為 230 VAC 的可能會超 過 300 VAC）。考慮到這一點(diǎn)，在進(jìn)行測試時(shí)要使用最壞條件下的交流輸入值以保證絕不能超過 700 V 的額定BVDSS 700 V 值。

箝位系統(tǒng)消耗能量多少是由每一周期儲存在漏感內(nèi)的能量多少所決定的。漏感內(nèi)的能量 E 是這樣定義

在這里：

LL為漏極電感

IDIODE-P為箝位時(shí)的箝位二極管峰值電流。  

還有(MAX)表示這些變量的最差條件。  

因而，在測試漏極最大峰值電壓應(yīng)使用具有最大漏感L(MAX)的變壓器來測量L(MAX）。  

還要注意二極管峰值電流 IDIODE-P(MAX)，不一定非要與初級電路內(nèi)的峰值電流一樣。它通?？梢栽诔跫壏逯惦娏?50%-80%處的任意一點(diǎn)，并且應(yīng)該在系統(tǒng)中進(jìn)行測量確認(rèn)。測量值與理論值不一樣可能是由于：  

? 寄生效應(yīng)和/或次級緩沖電容網(wǎng)絡(luò)通過反射并聯(lián)在初級繞組的兩端, 從而延遲了初級電感上的電壓上升時(shí)間。  

? 由于串聯(lián)電阻器 RA 減緩了箝位二極管電流上升到最大值所需要的時(shí)間，使得漏感和磁通有足夠的時(shí)間恢復(fù)。

由于次級緩沖網(wǎng)絡(luò)可能影響箝位系統(tǒng)內(nèi)的能量大小，因此對這些元件要認(rèn)真地加以選擇，以便有助于減少箝位二極管峰值電流，從而降低漏極的峰值電壓。

由于箝位二極管峰值電流直接與初級峰值電流相關(guān)，因此應(yīng)該測試使初級電流最大化的條件，例如用脈沖負(fù)載使器件工作在其電流極限值處。 電流限值隨著器件公差的變化將直接影響漏極的峰值電流。

電阻器 RA 等效于同箝位二極管串聯(lián)，因此它的數(shù)值直接影響峰值的箝位電壓。箝位電阻器 RB 消耗的能量等于每一周期儲存在箝位電容器內(nèi)的能量。這樣處于公差上限的電阻器需要施加較高的電壓才能消耗 同樣多的能量，這樣一來就提高了漏極的峰值電壓。因此，對峰值電壓的測定應(yīng)同時(shí)取兩個(gè)器件的公差上限（典型值 5%）進(jìn)行測量。

由于二極管的峰值電流受二極管儲存時(shí)間的影響，因此要測量何時(shí)在反向關(guān)斷電流其間恢復(fù)的能量是最少的。 這一點(diǎn)當(dāng)二極管在其溫度范圍的下限工作時(shí)最為明顯，此時(shí)的儲存時(shí)間明顯地最短。

另一個(gè)對峰值電壓有直接影響的參數(shù)就是初級反射電壓，VOR。它主要受反饋電路中公差的影響。測試時(shí)，要對反饋元件進(jìn)行臨時(shí)調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的次級輸出設(shè)定在公差上限，使其達(dá)到最大值 VOR。

考慮到上述各種因素，電源應(yīng)在規(guī)定的負(fù)載條件下，使用的上述器件并在標(biāo)定公差的極限值進(jìn)行測試。最大的漏極電壓 經(jīng)常在溫度較低時(shí)出現(xiàn)，因此應(yīng)在低溫時(shí)最大輸入電壓的情況下開始進(jìn)行測試。為了測試的完整性，應(yīng)監(jiān)控從溫?zé)岬竭_(dá)到最大額定溫度的整個(gè)過程的漏極電壓。