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开关电源开关电源RCDRCD电路参数的选择与计算电路参数的选择与计算陶显芳2012.11.101开关电源电路设计2RCD保护电路参数的选择与计算@@什么是RCD保护电路？@RCD尖峰脉冲电压吸收电路原理分析@RCD尖峰脉冲吸收电路参数计算举例@其它尖峰脉冲吸收电路的缺点@1.什么是RCD保护电路？3�在开关管关断的瞬间，开关变压器铁芯中储存的能量会通过初级线圈的漏感产生很高的尖峰电压脉冲；此尖峰脉冲与输入电压，以及与次级线圈反射到初级线圈的反电动势电压迭加后，一起加到开关管的D-S极之间，将很容易把电源开关管击穿；因此，必须要在开关变压器初级线圈回路中设置一个RCD尖峰脉冲电压吸收电路，以保护开关管过压击穿。CRDUgdsQ1IdN2D2uoUoiL2e2N1e1iL1IoC2uc2uc1RLL21L图1�RCD电路参数选择不合适，一个是起不到对开关管的过压保护作用，开关管很容易因过压击穿；另一个是增加电源开关管的损耗，使开关管的温升提高，降低开关电源的工作效率。@2.开关电源中的几个重要分布参数CsLsµLQ1RµeCdsUesCod开关关断时RLCs1NUgdsQ1Cdscu2NcdusLTcisisu1idicdiµLb开关变压器等效电路CsLsµLRa开关电源基本电路图2�反激式开关电源中的几个重要分布参数：3、电源开关管关断瞬间的等效电容Cds（扩散电容）1、变压器初级线圈的漏感Ls2、变压器初级线圈的分布电容Cs44、变压器次级线圈反射到初级线圈的等效电容Co和电阻RCsLsµLQ1RµeCdsUc开关管导通时Ldsse�图2-a为单激式开关电源基本电路。图中，U为输入电压，Ls为变压器初级线圈的漏感，Cs为变压器初级线圈的等效分布电容（其中也包括次级线圈反射到初级线圈的分布电容）;Cds为开关管关断时，内部载流子的运动可等效成扩散电容；Lu为变压器初级线圈的励磁电感，RL为变压器次级线圈的等效负载电阻。�图2-b为开关变压器的等效电路。图中，Ls为变压器的漏感，Lu为变压器初级线圈的励磁电感，Cs为变压器初级线圈的等效分布电容，R为变压器的等效负载电阻。�图2-c为Q1导通时，开关电源的等效电路。Lds表示开关管内部的扩散电感，属于电阻性质，当开关管刚开始导通时，流过开关管的电流是由小变大，这个过程，与在电感两端加一方波电压时，流过电感的电流由小变大很相似，所以，当开关管刚导通的一瞬间，开关管的漏极和源极之间可以等效成一个电感Lds，但实际上它是一个电阻（可变电阻），因为它损耗功率。�图2-d为Q1关断时，开关电源的等效电路。图中，Cds表示开关管内部的扩散电容，当开关管刚开始关断时，流过开关管的电流是由大变小，这个过程，与在电容两端加一方波电压时，流过电容的电流由大变小很相似，所以，当开关管刚导通的一瞬间，开关管的漏极和源极之间可以等效成一个电容Cds，但实际上它属于电阻性质（可变电阻），因为它损耗功率。5@3.开关电源中的几个分布参数分析�把输出电压uo的正、负半波分别用平均值Upa、Upa-来表示，则有：6图3abuto0UaUa-UpUp-TonToffTKTL1N1φφe1L2N2e2uoRi2MUpa-UpaUi@4.输出电压的半波平均值dtuTUonoonpa∫=01——K接通期间（1）dtuTUoffonooffpa∫=−1——K关闭期间（2）正半波平均值:负半波平均值:@5.开关管工作时电流与电压的关系�开关管的工作过程：71、开关管导通前，漏极电压等于工作电压U，电流等于0；2、开关管开始导通时，可等效成一个电感Lds；3、开关管完全导通后，开关管工作于饱和区，漏极电流主要由负载决定；4、开关管开始关断前一刻，漏极电流达到最大值Idm；5、开关管开始关断的瞬间，漏极电压达到最大值Udsm：LsLdsmuuUu++=µ——Q1关断时（3）0idudsUudsmuLuuLs0Vdsttd+tr≈tdts+tf≈tf123Uudsm4123455a)b)IdmIds图4abcdabcde图5c)b)a)ttt000UUt0t1t2t3t4t5t6t16t15iucuduUdaUpa-UpaUpa-t10t11t12t13t14UmUpUUcsUdpR较大时R较小时8初级线圈的波形分布电容的波形开关管的波形)1sin(sin++=+=−−teULLLUteUutscstcscsωωαµµα)1sin(+≈−teUutcsωαssCL1≈ωsRC21=α)2sin(+≈−teUutdcωαdssCL1≈ωQ1导通时：2LR=α——Q1关断（5）振荡频率：；衰减因子：Q1关断时：振荡频率：；衰减因子：——Q1导通（4）@6.漏感与分布电容对变压器输出波形的影响�图5-a为Q1导通和关断时，输入电压U加到变压器初级线圈两端的电压波形；当Q1导通时，相当于在开关变压器初级线圈两端加一幅度等于输入电压的方波。�图5-b为Q1导通和关断时，分布电容Cs两端电压的波形。由于Ls和Cs的时间常数相对于变压器初级线圈励磁电感Lu的时间常数小非常多，因此，流过Ls和Cs的电流速率，相对要比流过Lu的电流速率高很多，当Q1导通或关断时，输入电压或电流的改变，都会使Ls和Cs、Cds组成的电流回路产生高频谐振，这种高频谐振不但会产生很强的EMI电磁辐射干扰。�在图5-c为Q1导通和关断时，开关管D、S极分布电容Cds两端电压的波形。由于Cds为扩散电容，属于电阻性质，当电容Cds被充满电后，即Q1完全关断后，电容Cds不会对漏感Ls进行放电，因此，电容Cds与漏感Ls两者之间也不会产生阻尼振荡；但此时，漏感Ls与励磁电感Lu产生的反电动势，经串联后再与输入电压迭加，三者一起加到开关管D、S极的两端，在D、S极两端将会产生很高的尖峰脉冲电压，如不采取保护措施，很容易将开关管击穿。@7.漏感与分布电容产生振荡波形分析①9�（4）式为图2-c中开关管导通时，漏感Ls与分布电容Cs产生谐振，分布电容Cs两端谐振电压波形的数学表达式；（5）式为图2-d中开关管关断时，开关管分布电容Cds两端谐振电压波形的数学表达式。�由于Cds为开关管内部的扩散电容，属于电阻性质，当开关管完全关断之后，阻值为无限大，漏感Ls产生的反电动势es只会对Cds进行充电（通过开关管的内阻释放能量），而Cds不会对漏感Ls进行反充电；因此，当漏感Ls储存的能量释放完后，其后续振荡过程不会再发生。所以，（5）式表示的是Cds为纯电容时的波形，它仅表示振荡波形中电容Cds充电时的一部分，电容Cds放电的过程，在实际应用中不存在，因为Cds充电时，实际上是一个阻值由小变大的电阻。�当开关变压器次级线圈为纯电阻负载时，开关管D、S两端的电压波形也是一个振荡波形，但其数学表达式不能用完全用（5）式来表示，因为谐振回路和参数有差异。�当开关管完全关断时，加到开关管D、S两端的电压正好是输入电压U与漏感产生的反电动势电压es和励磁电感产生的反电动势电压eu三者之和，此时，会在开关管的D、S极之间会产生很高的尖峰脉冲电压。11@7.漏感与分布电容产生振荡波形分析②@8.RCD尖峰脉冲电压吸收电路原理分析CRDCsLsUgdsQ1IdN2D2uoUoN1IoC2uc2ucRLL2µLCdsTµeµise2e2Li图6)0(iTLUIonm+=221mILWµµ=（6）（7）（8）11dsrcms==2s21µLLLS+=（9）2c21cUCW∆≈（10）�图6为RCD尖峰脉冲电压脉冲吸收保护电路工作原理图。（6）式为流过变压器初级线圈电流的最大值Im；（7）式为变压器励磁线圈储存的能量，（8）式为变压器初级线圈的总电感L，（9）为漏感Ls储存的能量，其中：为电容器储存的能量，为电阻R损耗的能量，为Q1在关断过程中损耗的部分能量；∆Uc为电容C两端的纹波电压。当用RCD电路来吸收开关变压器初级线圈产生的反激尖峰脉冲时，只能吸收变压器初级线圈漏感Ls储存的能量，而变压器励磁线圈储存的能量最好不要吸收，否则会降低工作效率。sWµWsWµWcWrWdsW@9.RCD尖峰脉冲吸收电路参数计算①�根据（9）式，如果忽视电阻R对电容器C充电时的分流作用，以及开关管由导通到完全关断期间，漏极电流（逐步减小）对电容器C充电时的分流作用（即Cds的分流作用），则（9）式可以改写为：12msonmsonmsmCmCLLTUCLLLTUCLIU×=+×==∆sµ——Q1关断期间（13）�把（6）式代入（11）式，并注意到，当占空比D≤0.5时，i(0)=0，由此可求得电容C容量的最大值和两端纹波电压的最大值：22)()(conscmsmULTULUILC∆××=∆=——Q1关断期间（11）�（12）和（13）式中，U为输入电压；∆Uc为电容器吸收尖峰脉冲电压后，增加的电压增量（即纹波电压）；Im为流过变压器初级线圈励磁电流的最大值；Ls为变压器初级线圈的漏感，Lu为变压器初级线圈的励磁电感，L为变压器初级线圈的总电感；Ton为开关管的导通时间（变压器铁心储存能量的时间）。2s21ccUCWW∆≈≈——Q1关断期间（12）@9.RCD尖峰脉冲吸收电路参数计算②13�如果考虑电阻R对电容器C充电时的分流作用，以及开关管由导通到完全关断期间漏极电流（逐步减小）对电容器C充电时的分流作用，则（12）和（13）式可以改写为：�（14）和（15）式中，r为一个与电阻R大小有关和与开关管D-S极之间分布电容Cds参数有关的分流系数，0≤r≤1。分流系数r表示：当考虑电阻R对电容器C充电的分流作用，以及开关管由导通到完全关断期间，漏极电流对电容器C充电的分流作用时，R和D-S极分布电容Cds对电容器C充电产生的分流作用为（1-r）倍。当r=1时，相当于R开路和D-S极分布电容Cds等于0；此时，相当于计算得到的结果已经预留了（1-r）倍的余量。�如果令（14）和（15）式中的分流系数r=1，即：当R开路和D-S极分布电容Cds等于0时，则（14）和（15）就等同于（12）和（13）式，其结果就是求电容C和纹波电压ΔUc的极限值。CLLTUrCLLLTUrCLrIUsonsonsmC×=+×==∆sµ22)()(conscmsULTUrLUIrLC∆××=∆=——Q1关断期间（14）——Q1关断期间（15）@9.RCD尖峰脉冲吸收电路参数计算③�由（15）式可以看出：开关管每关断一次，电容器C两端的电压就要增加一个电压增量ΔUc；为了不让电容器C的两端电压不断增加，必须要在开关管导通期间，把电容器每次充电新增的电荷通过R释放掉；即，在开关管每次关断之前，电容器C两端的电压都要通过电阻R释放掉一部分，使下降这部分的电压正好与电容器C充电时新增的电压在数值上相等，符号相反（-ΔUc）。�由此可知：电容器C容量的选取，对于开关管第一次关断时所吸收的能量多少，至关重要，如果容量选得太小，电容器第一次充电产生的电压增量与输入电压迭加后，很可能就会超过电源开关管的耐压值；开关管导通之后，电容器C开始对电阻R放电，其后电容器每次充、放电的电压增量多少，才由电阻R的阻值来决定。�由图6可以看出，电容器C两端电压的最大值Ucm，等于变压器初级线圈励磁电感产生的感应电动势eu和漏感Ls产生的感应电动势es两者之和（即变压器初级线圈反激输出电压的半波平均值），与电容器C充电时产生的电压增量ΔUc的二分之一，三者迭加。即：cpaLcpaspaUUUUUU∆+=∆++=2121cmµ——Q1关断期间（16）14�（16）式中，为电容器两端电压的最大值，为吸收尖峰脉冲电容C两端的纹波电压，为开关变压器初级线圈反激输出电压的半波平均值。�如果忽略整流二极管D的正向压降，Q1开关管D-S极两端的最高电压Umds则由下式决定：@9.RCD尖峰脉冲吸收电路参数计算④cpaLmmdsmUUUUUU∆++=+=21cm——Q1关断期间（17）�（17）式中，为开关管D-S极两端的最高电压，为电源输入电压的最大值。初级线圈反激