开关电源有源钳位电路若干问题的探讨-马川喜

 电源世界2013/10 | 29 ResearchandDesign研究与设计开关电源有源钳位电路若干问题的探讨DiscussionSomeProblemsonSwitchingPowerSupplyaboutActiveClampCircuit马川喜，王勇，刘吉海，霍伟强华天微电子有限公司（天水，741000）MaChuanxi,WangYong,LiuJihai,HuoWeiqiangHuatianMicroelectronicsCo.,Ltd.(Tianshui,741000)摘要：有源钳位电路是在开关电源中常用的一种软开关控制电路，本文总结了在设计过程中经常遇见的几种问题，分析了这几种问题的原因，有助于提高有源钳位电路的稳定性、可靠性。关键词：有源钳位开关电源稳定性可靠性Abstract:Activeclampcircuitiscommonlyusedinswitchingpowersuppliesasoftswitchcontrolcircuit.Thispapersummarizesthedesignprocessoftenencounteredseveralproblems,analysisofseveralcommoncauseoftheproblem,activeclampcircuitimprovesthestabilityandreliability.Keywords:Activeclampcircuit,Switchingpowersupply,Stability,Reliability［中图分类号］TN86［文献标识码］A文章编号：1561-0349（2013）10-0029-041引言随着电子技术的飞速发展，电子产品的应用领域已经渗透到了各行各业，电子设备的种类越来越多，对供电电源的要求也是更加灵活多变。电子设备的小型化和低成本化促使电源发生了巨大的变化，从最早的自激振荡式到反激式，再到正激式。从硬开关到软开关。从当初60%～70%的转换效率到现在的80%～90%的转换效率。轻、小、薄、高效和环保，渐渐地成为开关电源发展的方向。2有源钳位电路原理钳位电路是将开关电源工作时产生的尖峰电压钳制在一定的范围内，从而对功率开关管起到保护的作用。钳位电路分为有源钳位和无源钳位。普通的R、C、VDZ组成的电路叫做无源钳位，由于无源钳位电路简单实用，在开关电源中得到了广泛的应用。但由于无源钳位电路本身消耗的能量大，造成电源效率不高，因此，也限制了无源钳位电路的使用。有源钳位，是采用通态电阻极低的MOSFET做钳位管，当MOSFET关断时，利用电容器可以吸收尖峰电压。由于MOSFET的通态电阻很低，导通时的功率损耗非常小，使开关电源的效率大为提高，因此在要求较高的开关电源中，得到了广泛的应用。本文以正激式变换器高边钳位为例，说明有源钳位的工作原理，如图1所示。功率开关管的主开关S的主要作用是主驱动开关，辅助开关S1（带反并联二极管）和电容C1的主要作用是去磁复位。开关S和S1工作在互补状态。为了防止开关S和S1共态导通，两开关的驱动信号间留有一定的死区时间。30 |TheWorldofPowerSupplyOct 2013ResearchandDesign研究与设计CC1DVD1TVD2Vin+Vin-+Vout-VoutSDS1L图1有源钳位电路高频变压器一次绕组的同名端与二次绕组的同名端极性相同，并且一次绕组的另一端接功率开关管的驱动端；当功率开关管导通时高频变压器传输能量，在高频变压器上基本不储存能量。这里变压器不带去磁复位绕组。输出滤波整流电路中的VD1为整流二极管，VD2为续流二极管，L为具有储能作用的滤波电感。其工作原理是当功率开关管导通时，VD1导通，除向负载供电外，还有一部分电能储存在L和C中，此时VD2截止。当功率开关管关断时，VD1截止，VD2导通，储存在L中的电能经由VD2构成回路向负载供电，维持输出电压不变。有源钳位的正激变换器主电路的工作过程如图2所示。工作波形示于图3。（1）t0～t1时段主功率开关S于t0时刻导通，二极管VD1通，VD2断，电感L中的电流增长，变压器的励磁电流Im线性增长。主功率开关S于t1时刻关断，如图2(a)所示。（2）t1～t2时段主功率开关S关断后，二极管VD1断，VD2通，电感L中的电流下降，变压器的励磁电流Im通过S1反并联的二极管向电容C1充电。主功率开关S于t1时刻导关断，如图2(b)所示。（3）t2～t3时段开关S1开通，由于开通前其反并联二极管处于通态，其两端电压为零，因此，S1为零电压开通。在此期间，变压器的励磁电流Im线性下降，t3时刻下降到零，此时励磁电流Im达到最大值，如图2(c)所示。（4）t3～t4时段变压器的励磁电流Im到零后反向，C1反过来向变压器励磁电感放电，在此时间段，励磁电流由零变为负值，直到t4时刻S1关断，如图2(d)所示。（5）t4～t5时段S1关断时，变压器的励磁电流Im由下向上，S1关断后，变压器的励磁电流Im流过主开关S的反并联二极管，t5时刻，开关S开通，此时S的反并联的二极管处于通态，其两端电压为零，因此，S为零电压开通，如图2(e)所示。CC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(a)(b)CC1C1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(c)(d)CDVD1TVD2SDS1LRUiimiL(e)CC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(a)(b)CC1C1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(c)(d)CDVD1TVD2SDS1LRUiimiL(e)CC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(a)(b)CC1C1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(c)(d)CDVD1TVD2SDS1LRUiimiL(e)CC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(a)(b)CC1C1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(c)(d)CDVD1TVD2SDS1LRUiimiL(e) 电源世界2013/10 | 31 ResearchandDesign研究与设计CC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(a)(b)CC1C1DVD1TVD2SDS1LRUiimiLCC1DVD1TVD2SDS1LRUiimiL(c)(d)CDVD1TVD2SDS1LRUiimiL(e)图2有源钳位的正激变换器电路的开关过程StS1tUds（S）tImtt0t1t2t3t4t5t0UiUi+Uc图3工作波形3影响有源钳位电路性能的几个方面3.1变压器的影响变压器的设计作为开关电源设计的核心，性能高低直接决定了开关电源的好坏。同时，它的可靠性受绕制方法的影响很大，并在一定程度上决定了变压器分布参数的大小。变压器的漏感对有源钳位电路的好坏产生直接的影响，漏感太大，容易引起开关管产生谐波。如图4所示，变压器的主开关管关断之后，由于变压器漏感作用而在辅助开关管（黄色）开启时产生谐振，谐振达到了开关管开启电压的一半以上，这些谐振对变压器的性能产生了很大的影响。首先，使开关管的使用寿命下降，其次，使开关电源的纹波增大，并且使开关电源稳定性能下降。同时，变压器的分布电容也是非常重要的一方面。在高频变压器中，由于输入电压较高，导致分布电容较大，会在开关管转换时出现较大的电流尖峰，在轻载时对电源的稳压精度、稳定性和损耗都有较大的影响。图5为在零电流情况下开关管开启时，由于分布电容和开关管内部电容的影响，使开关管在开启的时产生了振荡。图5开关管振荡图变压器的绕制不同导致分布电容也不同。一般情况下，变压器的绕组分为C型绕制法、Z型绕制法、分段式绕制和累进式绕制，这些绕制方法的不同导致分布电容也不同。一般C型绕制法产生的分布电容最大，累进式最小，但分布电容的减小同时却导致了漏感的增大，因此在绕制时需要设计者权衡之间的利弊。3.2死区时间的影响死区时间，就是在主开关管没有导通而同时辅助开关关闭之后的一端时间，和主开关管关闭而同时辅助开关没有导通的一段时间，如图6所示。图6死区时间图图4开关管谐波图32 |TheWorldofPowerSupplyOct 2013ResearchandDesign研究与设计死区时间与开通时间及关断时间组成了一个周期，如果死区时间增加，势必导致其他的时间减小，在正激式开关电源中，有可能导致不能磁复位。在轻载和空载的时候，如果占空比太低，而死区时间太大，使开关管还没有开通就已经关断了，使次级电感上电流由连续电流转为断续电流，此时占空比增加，使输出电压向上飘，造成电压的不稳定。死区时间增加了PWM变换器的有效占空比的损失，降低了开关电源的转换效率，因此希望死区时间越小越好，但如果太小，有可能导致主开关管和辅助开关管同时导通，烧坏开关管。一般死区时间必须大于1/4个谐振周期，同时要小于主开关管关断时间的一半，图7为LM5025死区时间与控制死区时间电阻的图表。图7死区时间选择图3.3钳位电容的影响钳位电容C的值由钳位电压纹波ΔUc决定，要求纹波ΔUc小，则C的值就大。C越大，纹波ΔUc越小，主开关管S上的电压应力也就越小，但电源电压和负载变化时的响应速度也就越慢。只要励磁电感Lm与C谐振周期的一半大于主开关的关断时间(1–DC)T，电路便可正常工作，因此要求：()222m1πDTCL−(1)式中：T为功率开关的工作周期，D为占空比。假设ΔUcUc，由于在主开关关断期间，电容电压反向加在变压器原边绕组上，因此变压器激磁电流以恒定的速率Uc/Lm下降，在关断期间电容电压先上升、再下降，钳位电容电压的变化量就是纹波电压：()mc14IDTUC−∆=(2)同时，进入稳态工作以后，变压器铁芯双向对称磁化，励磁电流Im的正向最大值与负向最大值相等。任何不对称磁化因素都会使Uc值适度变化，从而迫使铁芯双向对称磁化。因此，稳态工作时必须有Im的正负对称，可得如下关系：()cmm21UILDT=−(3)由式(2)和式(3)得：()22ccm18DTUULC−∆=(4)一般情况下，限制ΔUc/Uc≤5％，可得到为了限制钳位电压纹波对钳位电容取值范围提出的要求，即：()22minm110%8DTCL−≥⋅(5)因此，在选择钳位电容时，符合以上要求就行，但同时要考虑变压器的分布电容和开关管结电容的影响。4总结现代科技的日新月异使人们对电源的性能提出更高的要求，提出了各种各样提高电源性能的电路，有源钳位电路就是其中之一。本文通过有源钳位的工作原理，分析了影响有源钳位电路的几个方面，包括变压器、死区时间和钳位电容等，但影响有源钳位电路性能的远不止这几个方面，还需要电源设计者不懈的努力。参考文献[1] 刘飞云. 有源钳位ZVS-PWM正激变换器的研究[D]. 武汉：华中科技大学，2004:31-32.[2] 谭宗振. 开关整流器概述[J]. 电源技术应用，2002(6):25-27.[3] 周志军. 软开关电源设计与仿真研究[D]. 武汉: 武汉大学，2004:36-37.[4] LM5025 Active Clamp Voltage Mode PWM Controller Datasheet.National Semiconductor Corporation.March, 2004.[5] 姬海宁. 高频开关电源变压器的优化设计及其应用[D]. 成都：电子科技大学，2003:48-49.作者简介马川喜（1969～），男，工程师，主要从事中小型开关电源的研究。王勇（1985～），男，硕士，主要从事中小型开关电源的