50W高功率因数反激式开关电源箝位电路的研究[1]

来源：独旅网

第32卷　第6期

2009年12月

电子器件

ChineseJournalOfElectronDevices

Vol.32　No.6Dec.2009

TheResearchofClampCircuitsin50WFlybackSwitchingPower

SupplywithHighPowerFactor3

LIZhensen,XUJunming

InstituteofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310037,ChinaAbstract:OvervoltagespikesareeasilycausedinFlybackSMPSwithhighPF(PowerFactor)widerangevoltagebytheleakageinductanceoftransformer,sotheclampcircuitsisusedtolimittheovervoltagetoprotecttheMOSFET.Threecommontypesofclampcircuits,TD(Zenerclamp)circuit,RCDclampcircuitandTRCDclampcircuitsareoftenusedinSMPS.Thesethreetypesofclampcircuitsfor50WSingle2StagePFCweredesigned.Theclampingvoltagewaveform,EMI,temperatureriseandefficiencyoftheclampcircuitsinSMPSweremeasured.ThemeasurementresultsshowthatTD,RCDandTRCDoftheclampcircuitshaveimprovedtheirabilityatlimitingtemperature,andEMI,RCDandTRCDhavebetteref2ficiencythanTD.

Keywords:switchingpowersupply;single2stagePFC;RCDclamp;TRCDclamp;temperaturerise;EMIEEACC:1210

50W高功率因数反激式开关电源箝位电路的研究3

李振森,徐军明3

杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310037

摘　要:由于高PF(功率因数)宽电压反激式开关电源的变压器漏感会导致过压尖峰很高,需采用箝位电路吸收。目前常用

的三种箝位电路有TD箝位(齐纳箝位)、RCD箝位、TRCD箝位电路,论文分别设计了三种50W单级PFC的箝位电路。对三种箝位电路的箝位电压波形、EMI、温升和效率进行了测试,测试表明它们的温升、EMI依次降低;RCD和TRCD箝位的电源效率大于TD箝位的。

关键词:开关电源;单级PFC;RCD箝位;TRCD箝位;温升;EMI中图分类号:TM46　　文献标识码:　　文章编号:100529490(2009)0621055204　　高功率因数反激式开关电源具有成本低,结构简单,体积小,易于实现多路输出等优点,因此广泛应用于中小功率电源中。尤其是目前为加快LED照明的市场化,对LED驱动电源提出了更高的要求:低温升、低EMI、高可靠。目前国内的电源主要采用TD箝位和RCD箝位,影响可靠性的提高,温升及EMI的降低。目前主要有无源箝位和有源箝位,有源箝位功耗低,设计复杂,成本高,不宜采用;

无源箝位有TD箝位、RCD箝位、TRCD箝位。无源箝位以其结构简单,成本低廉的特点而得以广泛应用[123]。论文对50WLED驱动电源的无源箝位电路进行了研究,对三种箝位电路在EMI、温升、效率等方面的性能进行了比较。

1　箝位电路工作原理

图1是含有箝位电路的高PF反激式开关电源

收稿日期:2009208214　　修改日期:2009208218

项目来源:国家自然科学基金资助(60671024)“基于IC工艺的集成RF薄膜变压器研究”

作者简介:李振森(19832),男,在读硕士研究生,微电子学与固体电子学专业,从事LED驱动及新型电子器件的研究,

lzs03068315@1631com;

徐军明(19762),男,副教授、硕导,研究方向新型材料与器件,抗电磁干扰技术。

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电　子　器　件第32卷

的DC/DC部分示意图,当开关电源的MOS管V导通时,能量存储在变压器初级绕组N1的电感Lp和

Llk中,V关闭时,Lp中的能量转移到次级N2输出。但漏感Llk中的能量不能传递到次级,需要箝位电路吸收漏感的能量。否则,Llk中的能量在MOS管V关断瞬间转移到V管的漏源极间电容Cds、Cdg和电路中的其它杂散电容上,此时V管的漏极将会承受很高的过压尖峰,使得V管很容易击穿。箝位电路可吸收该峰值电压,从而保护MOS管[1,4]。

图1的虚线部分为TRCD箝位电路,去掉T管即为RCD箝位电路。在RCD箝位电路中,V管关断瞬间二极管D1导通,电容C1的电压瞬间升高,导致D1截止,C1通过箝位电阻R1放电。只有很少的能量进入V管漏极,明显降低了V管的电压应力,MOS管不易被击穿。

图2　高PF反激式恒流限压LED驱动电源电路简图

VBR≈VC=VR+ΔV=160V.

提供的最小稳态功耗为[2]

PT2

VBR(1+KVmin)F2(KVmin)LlkIPKpmaxfswmin=≈

2(V(BR)-VR)313W其中:

KVmin=Ipkpmax=

VPKminVR

2・Pinmax(VPKmin・F2(KVmin)

θ)sin(θ)sin(1F2(x)==

)π1+x・sin(θ

∫0

)dθsin2(θ)1+x・sin(θ

VPKmin:最小输入电压的峰值;IPKpmax:变压器初级最

图1　开关电源DC/DC部分示意图(虚线部分为箝位电路)

TD箝位电路是图1所示的TRCD箝位电路去

掉R1,C1。TD箝位电路在MOS管V关断瞬间D1导通,电压超过TVS管的击穿电压时,TVS管被击穿,电压被箝位在击穿电压值,漏感能量部分被TVS管吸收掉,部分回送到电源输入端。

TRCD箝位是RCD箝位和TD箝位电路的综合。TVS管可以把电容C的电压嵌在TVS管反向击穿电

大电流的峰值;最大Pinmax:最大的输入功率;fswmin:

最小开关频率。在本设计中TD箝位选用P6KE160A,其额定功率为5W,反向击穿电压约为160V。

二极管的重复尖峰电流Ipkpmax=318A,反向击穿电压需大于Vpkmax+VR=473V。因此设计使用SF18,其参数为VRRM=600V,IFSM=30A。212　RCD箝位电路的设计

在RCD箝位电路中电阻R和电容C的取值比较大,因此,箝位电容C上的电压在每个开关周期不会有较大变化,可以用一个恒定值VC来表示箝位电容两端的电压。

箝位电压VC为:

VC=019VDS-Vinmax=167V.　　实验电路中设定箝位电压160V。

箝位电容C由下式[2]得到:

Llk・IPKpmax)C=(≈12nF.

ΔV・(ΔV+2VR)

　　实验中采三个472的高压瓷片电容并联。

箝位电阻R可以由下式[2]确定:

1Rmin=≈72K.

ΔVfswmin・C・ln1+

压处,从而进一步提高电路的稳定性和可靠性。

2　50WLED驱动电源的箝位电路设计

基于l6561和lm358具有高PF反激50W大功率LED驱动恒流限压电源设计为如图2所示。

ΔV设定V0是24V、I0是2A,VR设定100V、60V,电源的效率设计值为85%。电源的MOS管

的漏源电压VDS、最大输入电压Vinmax、箝位电压VC、漏感过压△V、反射电压VR他们的关系如图1右下部分的框图内。211　TD箝位电路设计

根据电源的要求设定VR为100V,△V为60V。考虑到温度上升而造成漂移,TVS管反向击

穿电压为　　电阻最小额定功率可由反射电压和漏感导致的

第6期李振森,徐军明:50W高功率因数反激式开关电源箝位电路的研究

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直流损耗计算出,如下式[2]所示:

VR=+0151+KVmin

RF2

KVminLlkIPKpmaxfswmin≈216W

　　电阻的额定功率的选择应留有足够的裕量,一

Ω般低于016以提高可靠性。实验采用两个37K额定功率2W的金属氧化膜电阻串联。

213　TRCD箝位电路的设计

TRCD箝位电路如图1所示,T管的箝位电压一般高于RCD箝位电压20V,采用P6KE190A,额定功率为5W。TRCD箝位电路如果添加电阻R2,可以进一步降低温升、提高抑制高频振铃和抑制系统EMI的能力,电阻R2一般小于100Ω[5]。在电路中用R1和C1设定箝位电压,T管设定箝位电压的上限,仅在电源启动和负载变动时起作用。由于电Ω、压的降低,电阻用1个75K2W氧化膜电阻;电容C的确定和RCD箝位是相同的。

最后设计的50W开关电源用三种箝位电路的器件及参数如表1所示:

表1　三种箝位电路器件参数表

箝位电路类型D管

TD箝位RCD箝位TRCD箝位

SF18SF18

C/nF

图5　TRCD箝位电压波形图

是放大图。从这三幅图中可看出TD箝位的波形毛刺及震荡很多;RCD箝位由于电容的作用毛刺很小、消除了震荡,但是箝位电压较高,电阻承受的电压较高;TRCD箝位由于增添了箝位TVS管使得波形最好,电压幅值最小,电阻电压较小,箝位的波形毛刺更小。312　开关电源热成像图为尽量使实验环境尽量一致,采用同一块电源,温度约25℃,略有变动,电源工作在纸箱内防止空气流通差异较大。每次箝位电路改动都在相同的条件下工作1小时。采用浙江大立科技DL700E/E+热成像仪。TD箝位是采用两个一致性比较好TVS管并联,以抵消RCD和TRCD箝位器件多而辐射面积大的因素;同样RCD箝位采用2个电阻串联,TRCD只用了1个电阻。图6、图7、图8分别是TD

Ω・R/K2W没有

37K・2

TVS管・5WP6KE160A

没有

SF18417・3

417・3

没有

P6KE190A

箝位、RCD箝位、TRCD箝位热成像图,每幅图中温度最高区域就是箝位电路的区域,图中的数字是箝位电路的最高温度。

图6、图7、图8中可看出TD箝位温度约13215℃、RCD箝位温度约9915℃、TRCD温度箝位约7811℃,由此可推知箝位电路的温升依次降低。LED驱动的温升的降低对于提高电源的可靠性非

3　实验与结果分析

311　箝位电压波形图

图3、图4、图5分别是电源的三种箝位电路波

形图,每幅图的左边箝位电路电压整体波形图,右边　　　　

常重要。如果箝位电压较高,漏感较大,TD箝位的T管功耗大、温度高,最高可达175℃。RCD箝位

由于箝位电容存在可以降低箝位电路的功耗[4],所以温升降低。TRCD箝位由于降低了箝位电阻和电容的最高上限电压,使得他们的功耗降低,效率提高。图9是采用三种箝位电路的50W开关电源的

图3　TD箝位电压波形图

电源效率的比较,可以看出采用RCD和TRCD箝位电源的电源效率比TD箝位电源有所提高。

图4　RCD箝位电压波形图

图6　TD箝位电路的热成像图

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电　子　器　件第32卷

图7　RCD箝位电路的热成像图

图11　RCD箝位电路的EMI传导测试图

图8　TRCD箝位电路的热成像图

图12　TRCD箝位电路的EMI传导测试图

4　结论

图9　三种箝位的电源效率图

TD箝位设计及装配方便、成本低,主要用于轻

负载或小功率(<30W)电源,在50W电源中使用

313　EMI传导干扰试验

三种箝位电路EMI测试依据国标GB17743灯具产品标准。采用杭州伏达测试研究所EMC300A接收机,EMC200A测试网络,10～130kHz频带分辨率200Hz,130～30MHz频带分辨率10kHz。为分辨出差别,电源只用接地的一级EMI共模滤波器,其不具有良好的全频衰减特性[627]。图10、图11、图12分别是三种箝位电路的电源EMI传导测试图。

时其温升偏高、抗EMI较弱。RCD箝位可以提高

效率、降低EMI,但设计较复杂,可用于30～60W电源中。TRCD箝位和RCD类似,T管可以降低R和C的箝位工作电压,降低温升和EMI。在LED驱动电源设计中要根据具体情况选择恰当箝位电路,才能设计出低温升、低EMI、高可靠性LED驱动电源。参考文献:

[1]　陈家洸,徐龙祥.RCD箝位反激变换器的设计与实现[J].电源

从图10、图11、图12中可以看出测得电源的EMI传导干扰依次降低,说明TD箝位、RCD箝位、TRCD箝位降低EMI能力依次增强。其原因是RCD箝位的电容C可吸收漏感导致的过压尖峰和

技术及应用,2002,10;5212523.

[2]　梁永春,严仰光.隔离Boost变换器用反激箝位的研究[J].南

京航空航天大学学报.2005,4;37,2;2452250

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[4]　刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京电子工业出

电路中的高频干扰从而降低系统EMI,TRCD箝位TVS管的添加可以降低箝位电压的峰值,进一步降

低系统的EMI。

版社.2008,1;1522167.

[5]　RudySeverns.SnubberCircuitsforPowerElectronics[M].

13022001URL:http://www.snubberdesign.com/snubber2book.html

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[7]　王丽,陈杨,张小青.开关电源EMI滤波器的设计[J].电气时

代,2006,9;1312133.

[8]　王丽,张小青.EMI滤波器的设计与研究[D].北京交通大学硕

图10　TD箝位电路的EMI传导测试图

士学位论文,2007;55261.

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