【導(dǎo)讀】我們常用的AC-DC開關(guān)電源中，由于初級(jí)線圈的漏感而再次級(jí)線圈上產(chǎn)生的瞬間反向脈沖是非常嚴(yán)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，這里測(cè)的是次級(jí)部分肖特基二極管兩端的波形。
一、問(wèn)題背景
我們常用的AC-DC開關(guān)電源中，由于初級(jí)線圈的漏感而再次級(jí)線圈上產(chǎn)生的瞬間反向脈沖是非常嚴(yán)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，這里測(cè)的是次級(jí)部分肖特基二極管兩端的波形。我們知道，肖特基二極管的最大的作用就是防止變壓器初級(jí)線圈的瞬態(tài)反向脈沖通過(guò)次級(jí)線圈對(duì)后級(jí)電路造成沖擊，如果在芯片啟動(dòng)之后，后級(jí)肖特基二極管因?yàn)闊o(wú)法承受反向沖擊脈沖而造成短路，那么開關(guān)電源芯片會(huì)被瞬間擊穿。這里我是用的變壓器初級(jí)次級(jí)比值為1：3，而我們一般的反向瞬間脈沖約為700~1000V，甚至更多，我們根實(shí)際測(cè)得的波形可以看出，次級(jí)線圈的最大反向脈沖電壓為224V左右。我們?cè)诤芏嗟腁C-DC電源方案中都可以看到肖特基二極管并聯(lián)一個(gè)RC電路，但是我們不知道這兩個(gè)元器件的值怎么去選，因?yàn)閷?shí)際的設(shè)計(jì)中，我們不一定會(huì)按照方案中要求去選用一模一樣的變壓器，就比如MPS020-5推薦的變壓器匝數(shù)比為1：11，但是考慮到實(shí)際變壓器的體積，我們改為1：3，那么這個(gè)匝數(shù)比的改變會(huì)導(dǎo)致次級(jí)反向瞬間脈沖的不同，那么對(duì)于肖特基二極管的反向承受電壓就有一個(gè)嚴(yán)格的要求。那么如何能讓RC真正的起到作用而減少肖特基二極管的成本，或者說(shuō)這個(gè)RC到底起一個(gè)什么作用。本文以實(shí)驗(yàn)的角度和大家一起討論這個(gè)問(wèn)題。
附：MP020-5開關(guān)電源原理圖
二、分析問(wèn)題
從系統(tǒng)控制理論的角度出發(fā)，我們將這個(gè)次級(jí)的電路進(jìn)行模型化，如圖2和圖3。
這里由于電容具有開關(guān)電源開啟瞬間短路的性質(zhì)，所以R12和R15的后級(jí)都被短路了，等效電容C0為E3、E5電容并聯(lián)再與C2串聯(lián)。而電容串聯(lián)的計(jì)算是等效為電阻并聯(lián)的計(jì)算，即串聯(lián)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(jìn)行計(jì)算，即等效電容C0為1.2nF，電感為變壓器的次級(jí)線圈，電阻R8(等效電阻為R0)為我們需要測(cè)定的值。
根據(jù)基爾霍夫電壓定律寫出RLC串聯(lián)諧振的微分方程，再進(jìn)行拉普拉斯變化可以看出，這個(gè)模型我們可以發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)RLC串聯(lián)諧振電路，在控制系統(tǒng)中這是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)，具體的公式推導(dǎo)見圖4和圖5。
這是一個(gè)典型的二階連續(xù)系統(tǒng)，我們?cè)俅螌徱曔@個(gè)波形圖圖6可以發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)圖像。瞬態(tài)響應(yīng)即在開關(guān)電源開啟的瞬間產(chǎn)生的響應(yīng)。
二階系統(tǒng)下，瞬態(tài)響應(yīng)主要表現(xiàn)為三種狀態(tài)：欠阻尼、臨界阻尼、過(guò)阻尼。
欠阻尼響應(yīng)的曲線圖圖7
欠阻尼由于阻尼不夠，系統(tǒng)在響應(yīng)瞬間會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)值，然后慢慢的通過(guò)振蕩來(lái)跌落到穩(wěn)態(tài)值，上圖的曲線表現(xiàn)出來(lái)的就是欠阻尼的狀態(tài)。也就是說(shuō)，我們的電壓本來(lái)應(yīng)該達(dá)不到224V，但是在一個(gè)慣性的作用下，系統(tǒng)在達(dá)到了穩(wěn)定值之后超過(guò)了穩(wěn)定值，達(dá)到了一個(gè)最大值，然后慢慢落下維持在穩(wěn)定值的范圍內(nèi)。
臨界阻尼響應(yīng)的曲線圖圖8
臨界阻尼下由于阻尼剛剛夠，系統(tǒng)在響應(yīng)瞬間慢慢的上升到穩(wěn)態(tài)值，不會(huì)產(chǎn)生慣性，我們的所需要的就是這樣一種波形。
RLC串聯(lián)諧振的拉普拉斯變換公式推導(dǎo)如圖圖9
我們通過(guò)電橋測(cè)得L的值為260mH，L的值為變壓器次級(jí)線圈的電感值，C為1.2nF，帶入求出電阻R為1658Ω。
三、測(cè)試驗(yàn)證
根據(jù)得到的理論值可以得到在1658歐姆左右可以達(dá)到臨界阻尼，由于實(shí)際中手邊沒有1658歐姆的電阻，最大只有357歐姆，而焊盤只夠放兩個(gè)電阻串聯(lián)，所以我將兩個(gè)357歐姆的電阻串聯(lián)得到714歐姆的電阻，然后將電路進(jìn)行測(cè)試，下圖為測(cè)得的波形圖圖10。
可以看出系統(tǒng)在響應(yīng)瞬間就很快的達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，而之前出現(xiàn)的欠阻尼的沖擊脈沖也被消除了，而反向電壓也被鉗制在-156V，當(dāng)然了這個(gè)阻值不能太大，在達(dá)到一定的值之后，系統(tǒng)會(huì)越過(guò)臨界阻尼，這個(gè)電阻的選值是一個(gè)范圍。另外還有一個(gè)就是這里的電容也要盡量的小，在nF級(jí)，如果太大會(huì)造成芯片爆炸。總的來(lái)說(shuō)，在確定好RC的值之后，我們可以有效的抑制次級(jí)反向脈沖由于慣性對(duì)肖特基二極管造成的更大的電壓沖擊。這樣做的好處可以讓我們理解RC存在的理由，當(dāng)然還可以節(jié)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(jīng)常爆板，后來(lái)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(guò)這種簡(jiǎn)單的辦法可以更好的節(jié)約成本。
