電源設計之緩沖正向轉換器

計算出要添加多少電容和電阻是一項頗具挑

戰性的工作。下面介紹一條解決這一難題的捷徑。

圖1顯示了正向轉換器的功率級。該轉換器由變壓器運行，該變壓器將輸入電壓耦合至次級電路，再由次級電路完成對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 D2 通過一個這樣電阻而被迫整流關閉 (commutate off) 時，通常需要一個緩沖器。D2 可以是一個硅 p-n 二極管，該二極管具有一個必須在其關閉前實現耗盡的逆向恢復充電功能。這就積累 (loads up) 了漏電感中的過剩電流，從而導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，前者是因為其大結電容，后者是因為其關閉延遲時間問題。



圖 1 漏電感延緩了D2關閉

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 結點處的電壓，底部線跡為流經 D1 的電流。在頂部線跡中，您可以看到當 Q1 打開時，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 沒有逆向恢復充電功能，當 D1 電流等于輸出電流時，結點電壓就會上升。由于 D2 具有逆向恢復充電功能，因此 D1 電流會進一步增加，這便開始消耗電荷。一旦電荷耗盡，二極管便關閉，從而導致增加的結點電壓進一步提高。請注意，電流會不斷增加直到結點電壓等于反射輸入電壓為止，因為在漏電感兩端有一個正電壓。隨著電流的增加，該電流將對寄生電容進行充電并導致電路中振鈴和損耗更大。


圖 2 當D2關閉時D2會引起過多的振鈴

這些振鈴波形也許是人們所無法接受的，因為它們會引起 EMI 問題或帶來二極管上讓人無法接受的電壓應力。跨接 D2 的 RC 緩沖器可以在幾乎不影響效率的同時大大減少振鈴。您可以利用下面的方程式計算得出振鈴頻率（請參見方程式 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 兩端添加一個已知電容值的電容以降低振鈴頻率，這樣您就得到了兩個方程式以及兩個未知項。如果您添加了正好可以減半振鈴頻率的電容，那么就會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 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 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。請注意，只添加電容對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 3 是開始的好地方的另一個原因。如果選擇的電阻適當，那么該電阻就可以在對效率最小影響的同時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算

使用具有 35 MHz 振鈴頻率的方程式 1 以及一個 150 pF 的寄生電容可以計算得出漏電感為 150 nH。把 150 nH 代入方程式 2 得出 一個大約為 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力也從 60V 降到了 40V。這樣我們就能選擇一個更低額定電壓的二極管，從而實現效率的提高。該過程的最后一步是計算緩沖器電阻損耗。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行權衡。如欲了解如何選擇最佳阻尼電阻的詳情，請參見第 3 頁的圖 3《電源設計小貼士 4》。

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圖 4 選擇適當的緩沖器電阻器能完全消除振鈴

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

參考文獻

《開關模式電源轉換的進步》，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）