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2018-12-29

开关电源管电应力超标的应对措施

这个结构在比较小功率的开关电源中还是比较常见的。在其可靠性验证中,初级MOS管DS间承受的电压峰值是一个重点。设计过程经常会碰到MOS管电压应力超标的现象。根据我们的调试经验,对这个问题做一分析并提出几种应对方案措施。

一、初级MOS的电压应力

初级MOS的电压应力一般是由三个方面组成:即是三个数值的叠加。

1.母线上电压峰值(一般是初级滤波电容上的电压峰值);
2.是次级的反射电压(即是MOS截止时由于电磁感应,次级电压折算到初级线圈的电压值);
3.是由于变压器漏感,在MOS关断时产生的尖峰。
母线上的电压峰值:这个峰值一般是输入电压的峰值,对于220V市电供电的开关电源,如果考虑±20%的变化范围,其最大值是264V,其因是正弦波,所以峰是264 x 1.414=373.23v.

二、次级的反射电压

这个电压由变压器初级圈数和次级圈数的比值决定。根据经验,反射电压值最好不要大于100V(针对600V的管子和220电网电压)。如果这个值选的过大,可能会给MOS应力控制增加一些压力。另外,反射电压太高,初级线圈的吸收电阻上消耗更多的能量会增加,不利于提高电源效率。但也不要选的太小,不然占空比不能得到充分的利用。(因为反射电压小,意味着初级圈数和次级圈数比值较大,占空比必然会小)。占空比太小,在相同功率下,会增大初级MOS电流的峰值,电流的有效值值也会增加,开关管的导通损耗和变压器集肤效应,临近效应引起的损耗也会增加。总之,这个反射电压的选取,也是一个反复实验权衡的结果。当然,如果效率不是我们最关注的问题,在部件(MOS,变压器)温升尚可接受的前提下,我们尽量还是照顾MOS的电应力要求。

三、漏感尖峰

由于实际变压器都存在漏感,在MOS管关断后,存在漏感中的能量不能传送到次级,因此必然会寻找一个放电通道,初级的RCD吸收就是为此而设。如果没有吸收,从理论上来说,会在MOS的D级对地形成一个无限高的尖峰(当然,实际电路都会存在分布的电容,这个尖峰不会有无限高),因此足够的吸收是相当重要的。一般来说,增大吸收电容,减小吸收电阻,都会有效果,但还要综合考效率,吸收电阻的体积等问题,有时侯,单从吸收电路下手并不能满足MOS电应力的要求。

四、除了更改吸收电路外,还有其它的几种方案可供参考:

1.RCD吸收中的D,使用所谓的慢管,可以从一定程度上降低感应出来的尖峰。更换D后,要重新测量D的温升。
2.由于电应力超标一般都发生在异常状态下,此时的占空比一般是处于失控状态,所以此时的初级峰值电流也是比较大的。峰值电流的增大则意味着漏感中存贮的能量增大,MOS关断时,尖峰自然也会变大。因此控制峰值电流对抑制尖峰作用是比较明显的。控制峰值电流的措施一般有:a.控制异常状态时的最大占容比,这对于某些芯片是可行的;b.增大初级sense电阻值,对于电流控制型的芯片,这个方法是有效的。其机理在于芯片是感知SENSE电阻上的电压来关断MOS的,电阻变大则能较早关断MOS,防止电流冲地过高。但要兼顾输出功率要求。c.增大初级电感量,机理和b类似;d.降低MOS的关断速度,这一般可以从MOS 驱动电路上下手,但同时也应注意MOS的发热量。另外,在初级增加电压初偿也是一个办法,即从初级滤波电容上引电阻到芯片的电流检测脚,一定上程度也可以对降低MOS尖峰有效。

上述各种方案措施的实施后,一定要对开关电源的其它指标进行确认,以避免极端优化一个参数,而引起其它参数恶化的现象。
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