AN-4147 应用指南反激式转换器 RCD 缓冲电路的设计指南

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昭尝徐
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1 AN-4147 反激式转换器 CD 缓冲电路的设计指南摘要本文介绍反激式转换器 CD 缓冲电路的设计指南当 MOSFET 关断时, 由于主变压器的漏电感 (L lk ) 与 MOSFET 的输出电容 (C OSS ) 之间存在谐振, 漏极引脚上会出现高压尖峰漏极引脚上的过高电压可能导致雪崩击穿, 并最终损坏 MOSFET 因此, 必须添加一个额外的电路, 实现电压箝位引言一个最简单的拓扑是反激式转换器该拓扑源自一个升降压转换器, 将滤波电感替换为耦合电感, 如带有气隙的磁芯变压器当主开关导通时, 能量以磁通形式存储在变压器中, 并在主开关关断时传输至输出由于变压器需要在主开关导通期间存储能量, 磁芯应该开有气隙因为反激式转换器所需元件很少, 因此该拓扑非常合适中低功率应用, 如电池充电器适配器和 DD 播放器图 1 显示在连续导通模式 (CCM) 和不连续导通模式 (DCM) 下运行的反激式转换器, 其中包含几个寄生元件, 如初级和次级漏电感 MOSFET 的输出电容和次级二极管的结电容当 MOSFET 关断时, 初级电流 (i d ) 在短时间内为 MOSFET 的 C OSS 充电当 C OSS ( ds ) 两端的电压超过输入电压及反射的输出电压之和 ( in n ) 时, 次级二极管导通, 因此励磁电感 (L m ) 两端的电压被箝位至 n 因此,L lk1 和 C OSS 之间存在谐振, 具有高频和高压浪涌 MOSFET 上过高的电压可能导致故障在 CCM 运行模式下, 次级二极管保持导通直至 MOSFET 栅极导通当 MOSFET 导通时, 次级二极管的反向恢复电流被添加至初级电流, 因此在导通瞬间初级电流上出现较大的电流浪涌同时, 由于在 DCM 模式下次级电流在一个开关周期结束前干涸, L m 和 MOSFET 的 C OSS 之间存在谐振 dide reverse recvery curren Lm im n:1 Llk Cj resnance beween Llk1 and Css n Llk1 (b) CCM perain Css (a) Cnfigurain wih parasiic cmpnens resnance beween Lm and Css n resnance beween Llk1 and Css (c) DCM perain 图 1. 反激式转换器 (a) 包含寄生元件的配置 (b) CCM 运行模式 (c) DCM 运行模式 ev

2 缓冲电路设计可通过添加一个额外的电路, 将由于 L lk1 和 C OSS 之间的谐振产生的过高电压压制到一个可接受的电平, 从而保护主开关图和 3 显示 CD 缓冲电路及其主要波形当 ds 超过 in n 时,CD 缓冲电路通过导通缓冲二极管 (D) 吸收漏电感中的电流假定缓冲电容足够大, 以致其电压在一个开关周期内不会发生变化当 MOSFET 关断并且 ds 被充电至 in n 时, 初级电流通过缓冲二极管 (D ) 流至 C 同时, 次级二极管导通因此, L lk1 两端的电压为 -n i 的斜率如下所示 : i ipeak s di n d Llk1 (1) C n:1 n Llk D i 图 3. DCM 运行模式下, 带有 CD 缓冲电路的反激式转换器关键波形其中, i 指流至缓冲电路的电流, 指缓冲电容 C 两端的电压,n 指主变压器的匝比,L lk1 指主变压器的漏电感时间 s 可以表达为 : 图. 带有 CD 缓冲电路的反激式转换器 s Llk1 i n peak () 其中, i peak 指初级峰值电流缓冲电容电压 ( ) 应该在最小输入电压和满载条件下确定一旦确定了, 最小输入电压和满载条件下缓冲电路耗散的功率可以表达为 : i 1 P f L i f peak s s lk peak s n (3) 其中,f s 指反激式转换器的开关频率应该为 n 的至.5 倍若很小, 可能导致缓冲电路中出现严重的损耗, 如上面方程式所示 ev

另一方面, 由于缓冲电阻 ( ) 消耗的功率为 /, 电阻可由下式得出 : 1 L i f s n lk1 peak (4) 实例某个采用 FSDM311 的适配器具有以下规格 :85 ac 至 65 ac 的输入电压范围, 10 W 输出功率, 5 输出电压, 和 67 khz 开关频率当 CD 缓冲电路采用一个 1 nf 缓冲电容和一个 480 kw 缓冲电阻时, 图 4

3 另一方面, 由于缓冲电阻 ( ) 消耗的功率为 /, 电阻可由下式得出 : 1 L i f s n lk1 peak (4) 实例某个采用 FSDM311 的适配器具有以下规格 :85 ac 至 65 ac 的输入电压范围, 10 W 输出功率, 5 输出电压, 和 67 khz 开关频率当 CD 缓冲电路采用一个 1 nf 缓冲电容和一个 480 kw 缓冲电阻时, 图 4 显示交流开关导通瞬间, 在 65 ac 的几个波形应该根据功耗, 选择缓冲电阻以及合适的额定功率缓冲电容电压的最大纹波可由下式得出 : Δ C f s (5) 通常, 合理的纹波为 5-10% 因此, 可采用上述方程式计算缓冲电容当转换器设计为 CCM 运行模式时, 漏极峰值电流以及缓冲电容电压随输入电压增加而降低最大输入电压和满载条件下的缓冲电容电压可由下式得出 : lk1 s peak n ( n ) L f ( I ) (6) 图 4. 包含 1 nf 缓冲电容和 480 kw 缓冲电阻的启动波形其中,f s 指反激式转换器的开关频率,L lk1 指初级端漏电感,n 指变压器匝比, 指缓冲电阻,I peak 指最大输入电压和满载条件下的初级峰值电流当转换器在最大输入电压和满载条件下以 CCM 模式运行时,I peak 可由下式得出 : I P( in DC n ) DC n peak DC m s DC n L f ( n ) (7) 在图 4-7 中, 通道 1 至 4 分别代表漏极电压 ( ds,00 /div), 电源电压 ( CC, 5 /div), 反馈电压 ( fb, 1 /div) 和漏极电流 (I d,0. A/div) 内部 SenseFET 上的最大电压应力大约为 675, 如图 4 所示根据数据表,FSDM311 额定电压为 650 额定电压过高的原因有两个 : 错误的变压器设计和 / 或错误的缓冲电路设计图 5 显示原因当转换器在最大输入电压和满载条件下以 DCM 模式运行时, I peak 可由下式得出 : I peak 其中, P in 指输入功率, L m 指变压器的励磁电感, DC 指整流后的最大直流输入电压验证在瞬变期间和稳态期间, ds 最大值分别低于 MOSFET 额定电压 (B dss ) 的 90% 和 80% 缓冲二极管的额定电压应该高于 B dss 通常, 在缓冲电路中采用额定电流为 1 A 的超快二极管 P f L s in m (8) 图 5. 稳态波形, 带有 1 nf 缓冲电容和 480 kw 缓冲电阻 ev

为了保持可靠性, 稳态时的最大电压应力应该等于额定电压的 80% (650 * 0.

并且测得的 L lk1 和 i peak 分别为 150 μh 和 400 ma 缓冲电阻计算如下: 1 L i f s n lk1 peak 释放的功率计算如下 : 150 14k 1 150 150μ 0.4 67k 150 75 150 P 1.6W 14k (9) (10) 图 7.

4 为了保持可靠性, 稳态时的最大电压应力应该等于额定电压的 80% (650 * ) 图 5 显示稳态时, 并且 in 65 ac 时, 内部 SenseFET 上的电压应力高于 570 然而, in n 约为 450 ( * 5), 这说明变压器匝比为 15, 这是一个合理的值因此, 缓冲电路必须重新设计使为 n 的两倍, 即 150, 并且测得的 L lk1 和 i peak 分别为 150 μh 和 400 ma 缓冲电阻计算如下: 1 L i f s n lk1 peak 释放的功率计算如下 : k μ k P 1.6W 14k (9) (10) 图 7. 稳态波形, 带有 10 nf 缓冲电容和 14 kw 缓冲电阻启动和稳态时内部 SenseFET 上的电压应力分别为 593 和 54 它们分别为 FSDM311 额定电压的 91.% 和 80.6% 左右使缓冲电容电压最大纹波为 10%, 则缓冲电容可由下式得出 : C nF Δ f 15 14k 67k s (11) 图 6 和 7 显示采用 14 kw (3 W) 和 10 nf 时的结果图 6. 启动波形, 带有 10 nf 缓冲电容和 14 kw 缓冲电阻 ev

5 作者 :Gwan-Bn K/ 博士学位 FPS 应用组 / 飞兆半导体电话传真电子邮件地址 kgb@fairchildsemi.c.kr DISCLAIME FAICHILD SEMICONDUCTO ESEES THE IGHT TO MAKE CHANGES WITHOUT FUTHE NOTICE TO ANY PODUCTS HEEIN TO IMPOE ELIABILITY, FUNCTION, O DESIGN. FAICHILD DOES NOT ASSUME ANY LIABILITY AISING OUT OF THE APPLICATION O USE OF ANY PODUCT O CICUIT DESCIBED HEEIN; NEITHE DOES IT CONEY ANY LICENSE UNDE ITS PATENT IGHTS, NO THE IGHTS OF OTHES. LIFE SUPPOT POLICY FAICHILD S PODUCTS AE NOT AUTHOIZED FO USE AS CITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPOT DEICES O SYSTEMS WITHOUT THE EXPESS WITTEN APPOAL OF THE PESIDENT OF FAICHILD SEMICONDUCTO COPOATION. As used herein: 1.Life suppr devices r sysems are devices r sysems which, (a) are inended fr surgical implan in he bdy, r (b) suppr r susain life, r (c) whse failure perfrm when prperly used in accrdance wih insrucins fr use prved in he labeling, can be reasnably expeced resul in significan injury he user..a criical cmpnen is any cmpnen f a life suppr device r sysem whse failure perfrm can be reasnably expeced cause he failure f he life suppr device r sysem, r affec is safey r effeciveness. ev

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路

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