電源設(shè)計(jì)之緩沖正向轉(zhuǎn)換器

計(jì)算出要添加多少電容和電阻是一項(xiàng)頗具挑

戰(zhàn)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(zhuǎn)換器的功率級(jí)。該轉(zhuǎn)換器由變壓器運(yùn)行，該變壓器將輸入電壓耦合至次級(jí)電路，再由次級(jí)電路完成對(duì)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(dāng) D2 通過一個(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(xiàn)耗盡的逆向恢復(fù)充電功能。這就積累 (loads up) 了漏電感中的過剩電流，從而導(dǎo)致高頻率振鈴和過高的二極管電壓。肖特基二極管和同步整流器也存在類似情況，前者是因?yàn)槠浯蠼Y(jié)電容，后者是因?yàn)槠潢P(guān)閉延遲時(shí)間問題。



圖 1 漏電感延緩了D2關(guān)閉

圖 2 顯示了一些電路波形，頂部線跡為 Q1 漏電壓，中部線跡為 D1 和 D2 結(jié)點(diǎn)處的電壓，底部線跡為流經(jīng) D1 的電流。在頂部線跡中，您可以看到當(dāng) Q1 打開時(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 沒有逆向恢復(fù)充電功能，當(dāng) D1 電流等于輸出電流時(shí)，結(jié)點(diǎn)電壓就會(huì)上升。由于 D2 具有逆向恢復(fù)充電功能，因此 D1 電流會(huì)進(jìn)一步增加，這便開始消耗電荷。一旦電荷耗盡，二極管便關(guān)閉，從而導(dǎo)致增加的結(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)一步提高。請(qǐng)注意，電流會(huì)不斷增加直到結(jié)點(diǎn)電壓等于反射輸入電壓為止，因?yàn)樵诼╇姼袃啥擞幸粋€(gè)正電壓。隨著電流的增加，該電流將對(duì)寄生電容進(jìn)行充電并導(dǎo)致電路中振鈴和損耗更大。


圖 2 當(dāng)D2關(guān)閉時(shí)D2會(huì)引起過多的振鈴

這些振鈴波形也許是人們所無法接受的，因?yàn)樗鼈儠?huì)引起 EMI 問題或帶來二極管上讓人無法接受的電壓應(yīng)力。跨接 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(jì)算得出振鈴頻率（請(qǐng)參見方程式 1）：

方程式 1：

但是您如何知道電路中 L 和 C 的值呢？竅門就是通過在 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(xiàng)。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(qǐng)注意，只添加電容對(duì)振鈴的振幅作用很小，電路還需要一些電阻來阻尼振鈴。這就是電容因數(shù) 3 是開始的好地方的另一個(gè)原因。如果選擇的電阻適當(dāng)，那么該電阻就可以在對(duì)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(qǐng)參見方程式 2）。

方程式 2：

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圖 3 ?將振鈴頻率提高兩倍完成寄生計(jì)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(jì)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(yīng)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(xiàn)效率的提高。該過程的最后一步是計(jì)算緩沖器電阻損耗。使用方程式 3 可以完成該過程的最后一步，其中 f 為工作頻率：

方程式 3：

一旦完成計(jì)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，您就需要在振鈴和緩沖器損耗間進(jìn)行權(quán)衡。如欲了解如何選擇最佳阻尼電阻的詳情，請(qǐng)參見第 3 頁的圖 3《電源設(shè)計(jì)小貼士 4》。

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圖 4 選擇適當(dāng)?shù)木彌_器電阻器能完全消除振鈴

總而言之，緩沖正向轉(zhuǎn)換器是一個(gè)簡單的過程：1) 添加電容以減半振鈴頻率；2) 計(jì)算寄生電容和電感；3) 計(jì)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(nèi)。

參考文獻(xiàn)

《開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換的進(jìn)步》，作者：Middlebrook, R. D. 和 Slobodan Cuk，第一卷和第二卷，第 2 版，TESLAco，1983 年 533 頁。摘自 TESLAco，#10 Mauchly，Irvine，CA 92718，電話：(714) 727-1960。（第一版c 1981）