【幹貨】開關電源RC吸收電路的分析!
發布時間:2020-02-14 責任編輯:lina
【導讀】我們常用的AC-DC開關電源中,由於初級線圈的漏感而再次級線圈上產生的瞬間反向脈衝是非常嚴重的。如下圖圖1,這是用MPS公司的MP020-5芯片搭建的AC-DC電路,這裏測的是次級部分肖特基二極管兩端的波形。
一、問題背景
我們常用的AC-DC開關電源中,由於初級線圈的漏感而再次級線圈上產生的瞬間反向脈衝是非常嚴重的。如下圖圖1,這是用MPS公司的MP020-5芯片搭建的AC-DC電dian路lu,這zhe裏li測ce的de是shi次ci級ji部bu分fen肖xiao特te基ji二er極ji管guan兩liang端duan的de波bo形xing。我wo們men知zhi道dao,肖xiao特te基ji二er極ji管guan的de最zui大da的de作zuo用yong就jiu是shi防fang止zhi變bian壓ya器qi初chu級ji線xian圈quan的de瞬shun態tai反fan向xiang脈mai衝chong通tong過guo次ci級ji線xian圈quan對dui後hou級ji電dian路lu造zao成cheng衝chong擊ji,如ru果guo在zai芯xin片pian啟qi動dong之zhi後hou,後hou級ji肖xiao特te基ji二er極ji管guan因yin為wei無wu法fa承cheng受shou反fan向xiang衝chong擊ji脈mai衝chong而er造zao成cheng短duan路lu,那na麼me開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian會hui被bei瞬shun間jian擊ji穿chuan。這zhe裏li我wo是shi用yong的de變bian壓ya器qi初chu級ji次ci級ji比bi值zhi為wei1:3,而我們一般的反向瞬間脈衝約為700~1000V,甚至更多,我們根實際測得的波形可以看出,次級線圈的最大反向脈衝電壓為224V左右。我們在很多的AC-DC電源方案中都可以看到肖特基二極管並聯一個RC電(dian)路(lu),但(dan)是(shi)我(wo)們(men)不(bu)知(zhi)道(dao)這(zhe)兩(liang)個(ge)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)值(zhi)怎(zen)麼(me)去(qu)選(xuan),因(yin)為(wei)實(shi)際(ji)的(de)設(she)計(ji)中(zhong),我(wo)們(men)不(bu)一(yi)定(ding)會(hui)按(an)照(zhao)方(fang)案(an)中(zhong)要(yao)求(qiu)去(qu)選(xuan)用(yong)一(yi)模(mo)一(yi)樣(yang)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi),就(jiu)比(bi)如(ru)MPS020-5推薦的變壓器匝數比為1:11,但是考慮到實際變壓器的體積,我們改為1:3,那麼這個匝數比的改變會導致次級反向瞬間脈衝的不同,那麼對於肖特基二極管的反向承受電壓就有一個嚴格的要求。那麼如何能讓RC真正的起到作用而減少肖特基二極管的成本,或者說這個RC到底起一個什麼作用。本文以實驗的角度和大家一起討論這個問題。

附:MP020-5開關電源原理圖

二、分析問題
從係統控製理論的角度出發,我們將這個次級的電路進行模型化,如圖2和圖3。


這裏由於電容具有開關電源開啟瞬間短路的性質,所以R12和R15的後級都被短路了,等效電容C0為E3、E5電容並聯再與C2串聯。而電容串聯的計算是等效為電阻並聯的計算,即串聯的電容越小,等效電容越小,所以我們直接按最小的電容C2進行計算,即等效電容C0為1.2nF,電感為變壓器的次級線圈,電阻R8(等效電阻為R0)為我們需要測定的值。
根據基爾霍夫電壓定律寫出RLC串聯諧振的微分方程,再進行拉普拉斯變化可以看出,這個模型我們可以發現這是一個RLC串聯諧振電路,在控製係統中這是一個典型的二階係統,具體的公式推導見圖4和圖5。

這是一個典型的二階連續係統,我們再次審視這個波形圖圖6可以發現,這是一個瞬態響應圖像。瞬態響應即在開關電源開啟的瞬間產生的響應。

二階係統下,瞬態響應主要表現為三種狀態:欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼。
欠阻尼響應的曲線圖圖7

欠(qian)阻(zu)尼(ni)由(you)於(yu)阻(zu)尼(ni)不(bu)夠(gou),係(xi)統(tong)在(zai)響(xiang)應(ying)瞬(shun)間(jian)會(hui)超(chao)過(guo)穩(wen)態(tai)值(zhi),然(ran)後(hou)慢(man)慢(man)的(de)通(tong)過(guo)振(zhen)蕩(dang)來(lai)跌(die)落(luo)到(dao)穩(wen)態(tai)值(zhi),上(shang)圖(tu)的(de)曲(qu)線(xian)表(biao)現(xian)出(chu)來(lai)的(de)就(jiu)是(shi)欠(qian)阻(zu)尼(ni)的(de)狀(zhuang)態(tai)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo),我(wo)們(men)的(de)電(dian)壓(ya)本(ben)來(lai)應(ying)該(gai)達(da)不(bu)到(dao)224V,但是在一個慣性的作用下,係統在達到了穩定值之後超過了穩定值,達到了一個最大值,然後慢慢落下維持在穩定值的範圍內。
臨界阻尼響應的曲線圖圖8

臨界阻尼下由於阻尼剛剛夠,係統在響應瞬間慢慢的上升到穩態值,不會產生慣性,我們的所需要的就是這樣一種波形。
RLC串聯諧振的拉普拉斯變換公式推導如圖圖9

我們通過電橋測得L的值為260mH,L的值為變壓器次級線圈的電感值,C為1.2nF,帶入求出電阻R為1658Ω。
三、測試驗證
根據得到的理論值可以得到在1658歐姆左右可以達到臨界阻尼,由於實際中手邊沒有1658歐姆的電阻,最大隻有357歐姆,而焊盤隻夠放兩個電阻串聯,所以我將兩個357歐姆的電阻串聯得到714歐姆的電阻,然後將電路進行測試,下圖為測得的波形圖圖10。
可以看出係統在響應瞬間就很快的達到了穩態,而之前出現的欠阻尼的衝擊脈衝也被消除了,而反向電壓也被鉗製在-156V,當(dang)然(ran)了(le)這(zhe)個(ge)阻(zu)值(zhi)不(bu)能(neng)太(tai)大(da),在(zai)達(da)到(dao)一(yi)定(ding)的(de)值(zhi)之(zhi)後(hou),係(xi)統(tong)會(hui)越(yue)過(guo)臨(lin)界(jie)阻(zu)尼(ni),這(zhe)個(ge)電(dian)阻(zu)的(de)選(xuan)值(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)範(fan)圍(wei)。另(ling)外(wai)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)就(jiu)是(shi)這(zhe)裏(li)的(de)電(dian)容(rong)也(ye)要(yao)盡(jin)量(liang)的(de)小(xiao),在(zai)nF級,如果太大會造成芯片爆炸。總的來說,在確定好RC的值之後,我們可以有效的抑製次級反向脈衝由於慣性對肖特基二極管造成的更大的電壓衝擊。這樣做的好處可以讓我們理解RC存在的理由,當然還可以節約物料成本。之前使用的物料為SS320肖特基二極管,反向承受電壓為200V,經常爆板,後來使用了ES3G,反向承受電壓為400V,雖然可以用但是物料比較貴。通過這種簡單的辦法可以更好的節約成本。

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