【技术细节】至关重要的“箝位电路”三个难题！

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引言

 

要保证电源的可靠工作, 就必须限制最大漏极电压。 请您在烦忙的工作之余稍事休息，来回答下面三个 关于如何设计和控制开关电源中漏极电压的问题，从而测试一下您的电源设计知识。 

三种常见的箝位电路（A、B、C）

问题1：初级 

问题

在下图中，请选择最符合所述要求的电路图：

a. 低成本, 但能有效限制最大漏极电压的箝位电路  

b. 能非常好控制漏极电压, 同时有最小空载功耗和最高效率的箝位电路  

c. 一款能用于限制漏极峰值电压同时能限制 MOSFET 关断时的电压上升斜率的电路 

参考答案与分析

问题：a）低成本、但能有效限制最大漏极电压的箝位电路

参考答案：

耗散漏感能量最节省成本的方法就如电路‘B’，向 RC 网络提供一个 箝位二极管。 这样的电路称之为“电阻-电容-二极管” （RCD）箝位 电路。

漏感内的能量将使漏极电压升高，直到高于贮存在箝位电容 C 内的电 压，在这一点时二极管开始工作，漏极电压得到箝制。 电阻器 RB 的选择要考虑到在正常箝位电压 V 的情 况下所耗散的能量_CLO所消耗的能量等于每一周期贮存在箝位电容内的能量。V_CLO 通常设定在高于反射输出 电压 50%左右，VOR。  

电阻器 RA 的选用值要能限制反向电流，以防止二极管‘阶跃'，从而可能导致过分振荡并可能出现 EMI 问 题。 同时也减缓了箝位二极管 D 内的电流上升，并抑制了 EMI 的产生，允许漏感上的最大箝位电压以最 快、最有效地方式耗散能量。  

由于电路“B”成本较低，因此常用它作为漏极箝位电路。 但在设计时一定要注意，因为箝位电压是多个 元件公差和操作变量的函数（见问题3的答案）。

问题：b）一个控制良好的箝位电路，能够在限制最大漏极电压的同时使空载耗能最低、效率最高。

参考答案：

电路‘C’是一个良好控制的箝位电路，能够在精确控制最大漏极电压限值的同时使空载能耗最低、效率 最高。 

用一个稳压管或瞬态电压抑制器 (TVS)精确设置箝位电压 VCLO达到一 个特定的水平，使最大箝位电压更 少地依赖于器件公差和操作变量。

这个电路的空载能耗更低是因为当 加在电容上的电压下降到 VR 阈值以 下时,它将不再消耗能量。 相比之 下，一个 RCD 箝位电路持续放电， 耗散的能量将在下一周期进行补 充，从次级电路获取能量，因而导

致更多不必要的损耗。

使用电容和串联电阻器是为了降低对脉冲箝位电流的阻抗，同时在箝位二极管关闭、反向电流流动时提供 少量的电量贮存以提供电荷的抽取。 这样更进一步地降低了箝位损耗，使空载和待机时耗能极少。

问题：c）可以箝制漏极电压或者可以限制关断时漏极电压上升斜率的一个电路。 

电路‘A'即为在关闭时可用于箝制漏极电压或限制漏极电压上升斜率的电路。  

虽然它的元件与图‘B'的 RCD 箝位电路的元件基本相同，但有一个关键的不同点，就是电容 C 内贮存的所 有能量必须在关断其间由直流电压总线提供。 在电路‘B'中，用于向箝位电容充电的电流在只有一个变 压器的回路中流动。 在‘A'电路中，能量既流经变压器，也流经初级大容量电容器。 这也就是说从供电 那里吸收到并贮存在箝位电容内的能量越多，在每一个周期内消耗的能量就越多,以保持一个稳定的箝位 电压。 由于其效率较低，这种电路通常不用作箝位电路。  

但是这种电路有其他的作用，而不是用作箝位电路。 如果 RC 的时间常数较小，那么 C 在 MOSFET 开启时 间内会放电。 在关闭时，来自变压器的电流此时会立刻经过串联二极管流入到电容内。 这样电容会减缓 漏极电压的上升速度，特别是在较高的漏极电压时.此时 MOSFET 的非线性漏极电容快速地下降。 这也为 初级流动的电流提供了转换路径，这样就避免了大容量电容,直流总线及地线上电流的突然变化了。 它还 可以避免在供电干线上产生的差模噪音。 这两种特点作为从源头上降低 EMI 都是非常有用的。 这种方法 比增加昂贵的感性线滤波器要便宜，而线滤波器对效率也有重要的影响。  

在低分布电容的变压器中减缓上升速度允许 MOSFET 有更多的关闭时间，从而使 MOSFET 的能量消耗降低。 电阻器 R 消耗电容器的能量，因此当 MOSFET 开通时看不到多余的能量。 但是，这种电路的主要缺点是在上升时间上要想达到 任何理想的效果都会耗能非常大，必须注意它对整体系统效率的影响, 而且要权衡其它抑制 EMI 措施的成本。 

问题2：高级 

问题

在设计‘B'电路时，下面的回答哪一个正确，哪一个错误？ 

a. 高漏感的变压器能获得最佳性能  

b. 严格控制的漏极电流限值会更好地控制漏极的峰值电压。 

c. 应尽可能选用最快的二极管 D  

d. RA 应尽量选用最低值  

e. RB 应尽量选用最低值  

f. 重载会比轻载产生更高的漏极峰值电压。  

g. 应在公差条件最差时检查漏极的峰值电压。 

参考答案与分析

问题：a）高漏感变压器性能最好。 

错误：除了在某些特殊的谐振拓朴电路里，否则高漏感总是我们不希望的。

问题：b）严格控制漏极电流限值会对漏极的峰值电压有更好的控制 

正确：对漏极峰值电流的控制就是控制了贮存在漏极电感内能量的多少。 这也就更好地控制了在箝位电 路中必须消耗的峰值能量，因而具有更稳定的性能。 

问题：c）应尽可能选用较快的二极管 D  

错误：在应用时要认真选择箝位二极管的特性。 在某些应用中，由于 关断电流的循环，贮存在箝位电容内的一些能量会流回到系统进行再利用，因而一个较慢的二极管可能会 使系统效率大大提高。 较慢的二极管还有一个优点就是它比快的二极管产生更少的 EMI，同时还可以提高 交叉稳压精度。 然而，虽然当需要考虑效率或 EMI 因素时可以使用慢的二极管，但也要特别注意在高应 力情况下检查二极管的温度，因为二极管在温度升高时速度会更慢，如果选择不当会出现二极管过热损坏 的现象。 通常情况下会使用一个串联电阻器（RA）与慢速二极管连接，以帮助控制关断特性。  

问题：d）RA 应尽量选用最低值  

错误：RA 应选用使漏极峰值电压保持在安全范围内的最高值。 使 RA 值过低会提高二极管峰值电流，加快 关闭时间，从而引起更高的 EMI。 相反，RA 值较高虽然会消耗一些能量，但通常会通过降低恢复时间提 高电源的总体效率。  

问题：e）RB 应尽量选用最低值  

错误：RB 应选用使漏极的峰值电压保持在安全范围内的最高值。 RB 值较低会降低漏极峰值电压，但同时 也会迅速导致系统功耗的增加，因为它会增加漏感电流的恢复时间，从而使从变压器初级线圈内转移能量 需要更长的时间。  

问题：f）较高的输出负载将比较低的输出负载产生更高的漏极峰值电压。 

正确：此处电压模式、PWM 控制的，对于一个特定的变压器设计，较高的输出负载会导 致较高的尖峰峰值电流，因而会导致更多的能量传入到箝位系统中，产生较高的平均电压。 对于使用固 定电流限值、开/关稳压控制的器件，此效果不是很明显。 然而，当以较高负载运行时， 跳过的周期数较少，因而箝位电容的平均电压还会随着负载的增加而升高。  

问题：g）应在公差条件最差时检查漏极的峰值电压。  

正确：应综合考虑元件公差、负载（包括静态负载和瞬态负载）、温度和直流干线的影响, 在最坏情况下监测器件，以保 证漏极电压保持在其额定限值的安全范围内。

问题3：专家级 

问题

当设计一个箝位电路来确保漏极电压不超出器件的安全范围, 有哪些设计要点? 应怎样测试来验证你的 设计?

参考答案与分析

进行任何箝位电路设计最开始一项工作都是确定 MOSFET 的最大容许漏极电压。除此以外， 为安全起见，留有 5-10%的安全裕量以应对浪涌实验及外部交流供电失常：因此，在电源设计时经常将700V的MOSFET以 650 V 作为最差情况下最大漏极电压的限定值。 

由于箝位电压是曡加在输入供电干线上的，因此需要考虑供电电压的极限值。 虽然电源通常都会标定额 定电压的范围，但在某些情况下会发生浪涌或电压跳变（例如，输入电压的额定值为 230 VAC 的可能会超 过 300 VAC）。 考虑到这一点，在进行测试时要使用最坏条件下的交流输入值以保证绝不能超过 700 V 的额定BV_DSS 700 V 值。

箝位系统消耗能量多少是由每一周期储存在漏感内的能量多少所决定的。 漏感内的能量 E 是这样定义

在这里： 

L_L为漏极电感

I_DIODE-P为箝位时的箝位二极管峰值电流。  

还有(MAX)表示这些变量的最差条件。  

因而，在测试漏极最大峰值电压应使用具有最大漏感L(MAX)的变压器来测量L(MAX）。  

还要注意二极管峰值电流 I_DIODE-P(MAX)，不一定非要与初级电路内的峰值电流一样。 它通常可以在初级峰值电 流 50%-80%处的任意一点，并且应该在系统中进行测量确认。 测量值与理论值不一样可能是由于：  

· 寄生效应和/或次级缓冲电容网络通过反射并联在初级绕组的两端, 从而延迟了初级电感上的电压上升时间。  

· 由于串联电阻器 RA 减缓了箝位二极管电流上升到最大值所需要的时间，使得漏感和磁通有足够的时间恢复。 

由于次级缓冲网络可能影响箝位系统内的能量大小，因此对这些元件要认真地加以选择，以便有助于减少 箝位二极管峰值电流，从而降低漏极的峰值电压。  

由于箝位二极管峰值电流直接与初级峰值电流相关，因此应该测试使初级电流最大化的条件，例如用脉冲 负载使器件工作在其电流极限值处。 电流限值随着器件公差的变化将直接影响漏极的峰值电流。 

电阻器 RA 等效于同箝位二极管串联，因此它的数值直接影响峰值的箝位电压。 箝位电阻器 RB 消耗的能 量等于每一周期储存在箝位电容器内的能量。 这样处于公差上限的电阻器需要施加较高的电压才能消耗 同样多的能量，这样一来就提高了漏极的峰值电压。 因此，对峰值电压的测定应同时取两个器件的公差 上限（典型值 5%）进行测量。  

由于二极管的峰值电流受二极管储存时间的影响，因此要测量何时在反向关断电流其间恢复的能量是最少 的。 这一点当二极管在其温度范围的下限工作时最为明显，此时的储存时间明显地最短。  

另一个对峰值电压有直接影响的参数就是初级反射电压，V_OR。它主要受反馈电路中公差的影响。 测试时， 要对反馈元件进行临时调节，将调节后的次级输出设定在公差上限，使其达到最大值 V_OR。  

考虑到上述各种因素，电源应在规定的负载条件下，使用的上述器件并在标定公差的极限值进行测试。 最大的漏极电压 经常在温度较低时出现，因此应在低温时最大输入电压的情况下开始进行测试。 为了测试的完整性，应监控从温热到达 到最大额定温度的整个过程的漏极电压。 

最全

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可能是史上完整的PFC视频教程（共计时长：120讲 60小时）

第一部分:开关电源BUCK部分(30小时)

一是基于PTS5430芯片的Buck电路；

二是基于分立器件去搭Buck电路；

三基于LNK306芯片的BUCK电路。

第二部分:BOOST部分(10小时)

基于UC3842电源芯片的Boost电路。

第三部分：功率因素校正（PFC）部分(20小时)

基于NCP1654芯片的PFC部分