電源設計之緩沖正向轉換器,power supply design

關鍵字：電源設計

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(commutateoff)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(loadsup)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470pF電容的波形。因此，電路具有大約150pF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：

圖3將振鈴頻率提高兩倍完成寄生計算
使用具有35MHz振鈴頻率的方程式1以及一個150pF的寄生電容可以計算得出漏電感為150nH。把150nH代入方程式2得出一個大約為30Ohms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》。

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。