开关电源钳位保护电路及散热器的设计

　　说明：

　　（1）定义R DS（ON） =U D（ON） /I DS（ON） 。

　　（2）图2是以TOP249Y为参考，此时k=1.00.

　　（3）求漏-源极导通电流时应乘以k，求漏-源极通态电阻时应除以k.

　　（4）k值所代表的就是TOPSwitch-GX系列中不同型号芯片的通态电阻比值，它也是极限电流比值。例如TOP249Y的R DS（ON） =2.15Ω（典型值），TOP250Y的R DS（ON） =1.85Ω（典型值），2.15Ω/1.85Ω=1.162，而对TOP250Y而言，比例系数k=1.17，二者基本相符。TOP249Y、 TOP250Y的I LIMIT分别为5.40A、6.30A（典型值），6.30A/5.40A=1.167≈1.17.

　　（5）在相同的输出功率下I DS（ON）可视为恒定值，而芯片的功耗随所选TOPSwitch-GX型号的增大而减小，随型号的减小而增大。因此选择较大的型号TOP250Y，其功耗要比TOP249Y更低。

　　当MOSFET关断时漏极功耗P D与漏-源极关断电压U DS（OFF）的归一化曲线如图3所示。

　　图3 当MOSFET关断时漏极功耗PD与漏-源极关断电压UDS（OFF）的归一化曲线

　　说明：因MOSFET在关断损耗时的很小（只有几百毫瓦），故一般可忽略不计。

　　设计要求：选择TO-220-7C封装的TOP249Y型单片开关电源集成电路，设计70W（19V、3.6A）通用开关电源。已知TOP249Y的极限结温为150℃，最高工作结温T JM=125℃，最高环境温度T AM=40℃。试确定铝散热器的参数。

　　设计方法：考虑到最不利的情况，芯片结温T J可按100℃计算。从TOP249Y的数据手册中查到它在T J=100℃时的R DS（ON） =2.15Ω（典型值），极限电流I LIMIT=5.40A（典型值）。由于芯片总是降额使用的，实际可取I DS（ON） =0.8I LIMIT=4.32A.考虑到I DS（ON）在一个开关周期内是近似按照线性规律从零增加到最大值的（参见图2），因此应对其取平均值，即：

　　分析与结论：

　　（1）选用TOP250Y可输出更大的功率。若与TOP249Y输出同样的70W功率，因不变，仅R DS （ON ）减小了，故：

　　这表明，在同样的输出功率下，TOP250Y的损耗更小。

　　（2）利用特性曲线可验证设计结果。从图2中的虚线（T J=100℃）上查出=2.16A时所对应的U DS（ON） =4.5V.若根据U DS（ON）值计算，则：

　　比前面算出的10.0W略低一点。这是由于该特性曲线呈非线性的缘故，致使后者的数值偏低些。

　　（3）若考虑到还有关断损耗，从图3中可查出P D=510mW=0.51W（U DS（OFF） =600V）。假定占空比为50%，在计算平均功耗时应将关断损耗除以2.因此=9.72W+0.51W/2=9.975W，该结果就与10.0W非常接近。

　　3 结束语

　　设计漏极钳位保护电路的主要任务包括电路选择、元器件选择和参数计算。其关键技术是首先根据一次侧漏感上存储的能量E L0，来推算出钳位电路所吸收的能量E Q，进而计算出钳位电容和钳位电阻的参数值。本文所介绍的散热器设计方法是根据开关电源芯片厂家提供的数据手册及原始图表，通过计算芯片的平均功耗来完成设计的。但需注意，在相同的输出功率下（即I DS（ON）不变），选择输出功率较大的开关电源芯片可降低功耗，提高电源效率。