要保證電源的可靠工作，就必須限制最大漏極電壓。請在煩忙的工作之余稍事休息，來回答下面三個關于如何設計和控制開關電源中漏極電壓的問題，從而測試一下您的電源設計知識。

三種常見的箝位電路（A、B、C）

問題1：初級

問題：在下圖中，請選擇最符合所述要求的電路圖：

a. 低成本, 但能有效限制最大漏極電壓的箝位電路  

b. 能非常好控制漏極電壓, 同時有最小空載功耗和最高效率的箝位電路  

c. 一款能用于限制漏極峰值電壓同時能限制 MOSFET 關斷時的電壓上升斜率的電路

參考答案與分析

問題：a）低成本、但能有效限制最大漏極電壓的箝位電路

參考答案：

耗散漏感能量最節省成本的方法就如電路‘B’，向 RC 網絡提供一個箝位二極管。這樣的電路稱之為“電阻-電容-二極管” （RCD）箝位電路。

漏感內的能量將使漏極電壓升高，直到高于貯存在箝位電容 C 內的電 壓，在這一點時二極管開始工作，漏極電壓得到箝制。電阻器 RB 的選擇要考慮到在正常箝位電壓 V 的情況下所耗散的能量CLO所消耗的能量等于每一周期貯存在箝位電容內的能量。VCLO 通常設定在高于反射輸出電壓 50%左右，VOR。  

電阻器 RA 的選用值要能限制反向電流，以防止二極管‘階躍'，從而可能導致過分振蕩并可能出現 EMI 問題。 同時也減緩了箝位二極管 D 內的電流上升，并抑制了 EMI 的產生，允許漏感上的最大箝位電壓以最快、最有效地方式耗散能量。  

由于電路“B”成本較低，因此常用它作為漏極箝位電路。 但在設計時一定要注意，因為箝位電壓是多個元件公差和操作變量的函數（見問題3的答案）。

問題：b）一個控制良好的箝位電路，能夠在限制最大漏極電壓的同時使空載耗能最低、效率最高。

參考答案：

電路‘C’是一個良好控制的箝位電路，能夠在精確控制最大漏極電壓限值的同時使空載能耗最低、效率最高。

用一個穩壓管或瞬態電壓抑制器 (TVS)精確設置箝位電壓 VCLO達到一 個特定的水平，使最大箝位電壓更 少地依賴于器件公差和操作變量。

這個電路的空載能耗更低是因為當 加在電容上的電壓下降到 VR 閾值以下時,它將不再消耗能量。 相比之 下，一個 RCD 箝位電路持續放電， 耗散的能量將在下一周期進行補充，從次級電路獲取能量，因而導致更多不必要的損耗。

使用電容和串聯電阻器是為了降低對脈沖箝位電流的阻抗，同時在箝位二極管關閉、反向電流流動時提供 少量的電量貯存以提供電荷的抽取。 這樣更進一步地降低了箝位損耗，使空載和待機時耗能極少。

問題：c）可以箝制漏極電壓或者可以限制關斷時漏極電壓上升斜率的一個電路。

電路‘A'即為在關閉時可用于箝制漏極電壓或限制漏極電壓上升斜率的電路。  

雖然它的元件與圖‘B'的 RCD 箝位電路的元件基本相同，但有一個關鍵的不同點，就是電容 C 內貯存的所 有能量必須在關斷其間由直流電壓總線提供。 在電路‘B'中，用于向箝位電容充電的電流在只有一個變壓器的回路中流動。 在‘A'電路中，能量既流經變壓器，也流經初級大容量電容器。 這也就是說從供電那里吸收到并貯存在箝位電容內的能量越多，在每一個周期內消耗的能量就越多,以保持一個穩定的箝位 電壓。 由于其效率較低，這種電路通常不用作箝位電路。  

但是這種電路有其他的作用，而不是用作箝位電路。 如果 RC 的時間常數較小，那么 C 在 MOSFET 開啟時 間內會放電。 在關閉時，來自變壓器的電流此時會立刻經過串聯二極管流入到電容內。 這樣電容會減緩漏極電壓的上升速度，特別是在較高的漏極電壓時.此時 MOSFET 的非線性漏極電容快速地下降。 這也為初級流動的電流提供了轉換路徑，這樣就避免了大容量電容,直流總線及地線上電流的突然變化了。 它還可以避免在供電干線上產生的差模噪音。 這兩種特點作為從源頭上降低 EMI 都是非常有用的。 這種方法比增加昂貴的感性線濾波器要便宜，而線濾波器對效率也有重要的影響。  

在低分布電容的變壓器中減緩上升速度允許 MOSFET 有更多的關閉時間，從而使 MOSFET 的能量消耗降低。 電阻器 R 消耗電容器的能量，因此當 MOSFET 開通時看不到多余的能量。 但是，這種電路的主要缺點是在上升時間上要想達到 任何理想的效果都會耗能非常大，必須注意它對整體系統效率的影響, 而且要權衡其它抑制 EMI 措施的成本。

問題2：高級

問題：在設計‘B'電路時，下面的回答哪一個正確，哪一個錯誤？

a. 高漏感的變壓器能獲得最佳性能  

b. 嚴格控制的漏極電流限值會更好地控制漏極的峰值電壓。

c. 應盡可能選用最快的二極管 D  

d. RA 應盡量選用最低值  

e. RB 應盡量選用最低值  

f. 重載會比輕載產生更高的漏極峰值電壓。  

g. 應在公差條件最差時檢查漏極的峰值電壓。

參考答案與分析

問題：a）高漏感變壓器性能最好。

錯誤：除了在某些特殊的諧振拓樸電路里，否則高漏感總是我們不希望的。

問題：b）嚴格控制漏極電流限值會對漏極的峰值電壓有更好的控制

正確：對漏極峰值電流的控制就是控制了貯存在漏極電感內能量的多少。這也就更好地控制了在箝位電路中必須消耗的峰值能量，因而具有更穩定的性能。

問題：c）應盡可能選用較快的二極管 D  

錯誤：在應用時要認真選擇箝位二極管的特性。在某些應用中，由于關斷電流的循環，貯存在箝位電容內的一些能量會流回到系統進行再利用，因而一個較慢的二極管可能會 使系統效率大大提高。較慢的二極管還有一個優點就是它比快的二極管產生更少的 EMI，同時還可以提高 交叉穩壓精度。然而，雖然當需要考慮效率或 EMI 因素時可以使用慢的二極管，但也要特別注意在高應 力情況下檢查二極管的溫度，因為二極管在溫度升高時速度會更慢，如果選擇不當會出現二極管過熱損壞 的現象。 通常情況下會使用一個串聯電阻器（RA）與慢速二極管連接，以幫助控制關斷特性。  

問題：d）RA 應盡量選用最低值  

錯誤：RA 應選用使漏極峰值電壓保持在安全范圍內的最高值。使 RA 值過低會提高二極管峰值電流，加快關閉時間，從而引起更高的 EMI。相反，RA 值較高雖然會消耗一些能量，但通常會通過降低恢復時間提高電源的總體效率。  

問題：e）RB 應盡量選用最低值  

錯誤：RB 應選用使漏極的峰值電壓保持在安全范圍內的最高值。RB 值較低會降低漏極峰值電壓，但同時也會迅速導致系統功耗的增加，因為它會增加漏感電流的恢復時間，從而使從變壓器初級線圈內轉移能量需要更長的時間。  

問題：f）較高的輸出負載將比較低的輸出負載產生更高的漏極峰值電壓。

正確：此處電壓模式、PWM 控制的，對于一個特定的變壓器設計，較高的輸出負載會導致較高的尖峰峰值電流，因而會導致更多的能量傳入到箝位系統中，產生較高的平均電壓。對于使用固定電流限值、開/關穩壓控制的器件，此效果不是很明顯。然而，當以較高負載運行時，跳過的周期數較少，因而箝位電容的平均電壓還會隨著負載的增加而升高。  

問題：g）應在公差條件最差時檢查漏極的峰值電壓。  

正確：應綜合考慮元件公差、負載（包括靜態負載和瞬態負載）、溫度和直流干線的影響, 在最壞情況下監測器件，以保證漏極電壓保持在其額定限值的安全范圍內。

問題3：專家級

問題：當設計一個箝位電路來確保漏極電壓不超出器件的安全范圍, 有哪些設計要點？應怎樣測試來驗證你的設計？

參考答案與分析

進行任何箝位電路設計最開始一項工作都是確定 MOSFET 的最大容許漏極電壓。除此以外，為安全起見，留有 5-10%的安全裕量以應對浪涌實驗及外部交流供電失常：因此，在電源設計時經常將700V的MOSFET以 650 V 作為最差情況下最大漏極電壓的限定值。

由于箝位電壓是疊加在輸入供電干線上的，因此需要考慮供電電壓的極限值。 雖然電源通常都會標定額定電壓的范圍，但在某些情況下會發生浪涌或電壓跳變（例如，輸入電壓的額定值為 230 VAC 的可能會超 過 300 VAC）?？紤]到這一點，在進行測試時要使用最壞條件下的交流輸入值以保證絕不能超過 700 V 的額定BVDSS 700 V 值。

箝位系統消耗能量多少是由每一周期儲存在漏感內的能量多少所決定的。漏感內的能量 E 是這樣定義

在這里：

LL為漏極電感

IDIODE-P為箝位時的箝位二極管峰值電流。  

還有(MAX)表示這些變量的最差條件。  

因而，在測試漏極最大峰值電壓應使用具有最大漏感L(MAX)的變壓器來測量L(MAX）。  

還要注意二極管峰值電流 IDIODE-P(MAX)，不一定非要與初級電路內的峰值電流一樣。它通?？梢栽诔跫壏逯惦娏?50%-80%處的任意一點，并且應該在系統中進行測量確認。測量值與理論值不一樣可能是由于：  

? 寄生效應和/或次級緩沖電容網絡通過反射并聯在初級繞組的兩端, 從而延遲了初級電感上的電壓上升時間。  

? 由于串聯電阻器 RA 減緩了箝位二極管電流上升到最大值所需要的時間，使得漏感和磁通有足夠的時間恢復。

由于次級緩沖網絡可能影響箝位系統內的能量大小，因此對這些元件要認真地加以選擇，以便有助于減少箝位二極管峰值電流，從而降低漏極的峰值電壓。

由于箝位二極管峰值電流直接與初級峰值電流相關，因此應該測試使初級電流最大化的條件，例如用脈沖負載使器件工作在其電流極限值處。 電流限值隨著器件公差的變化將直接影響漏極的峰值電流。

電阻器 RA 等效于同箝位二極管串聯，因此它的數值直接影響峰值的箝位電壓。箝位電阻器 RB 消耗的能量等于每一周期儲存在箝位電容器內的能量。這樣處于公差上限的電阻器需要施加較高的電壓才能消耗 同樣多的能量，這樣一來就提高了漏極的峰值電壓。因此，對峰值電壓的測定應同時取兩個器件的公差上限（典型值 5%）進行測量。

由于二極管的峰值電流受二極管儲存時間的影響，因此要測量何時在反向關斷電流其間恢復的能量是最少的。 這一點當二極管在其溫度范圍的下限工作時最為明顯，此時的儲存時間明顯地最短。

另一個對峰值電壓有直接影響的參數就是初級反射電壓，VOR。它主要受反饋電路中公差的影響。測試時，要對反饋元件進行臨時調節，將調節后的次級輸出設定在公差上限，使其達到最大值 VOR。

考慮到上述各種因素，電源應在規定的負載條件下，使用的上述器件并在標定公差的極限值進行測試。最大的漏極電壓 經常在溫度較低時出現，因此應在低溫時最大輸入電壓的情況下開始進行測試。為了測試的完整性，應監控從溫熱到達到最大額定溫度的整個過程的漏極電壓。