1.开关管增加缓冲电路
开关管在关断时产生的电压尖峰和高的电压变化率dU/dt是驱动电源的主要干扰源之一。在开关管两端并联缓冲电路既可以降低电压或电流尖峰的幅度,也可以降低电压变化率和电流变化率。
缓冲电路主要有电容缓冲电路、RC缓冲电路和RCD缓冲电路三种,如图4-15所示。
电容缓冲电路结构较为简单,直接将电容并联在开关管的漏极和源极之间。当开关管导通时,电容放电到零;当开关管关断时,电容充电。电容两端电压上升速度与原来未加电容之前的漏源电压上升速度相比较为“缓慢”,有效地抑制了开关管上的电压变化和尖峰电压的形成。不过在开关管导通时电容被短路,直接经过开关管放电到零,会在开关管中产生很大的尖峰电流,使开关管的导通损耗大大增加。如果电容越大,那么开关管上的尖峰电压抑制作用越好,同时开关管导通时电流尖峰和导通损耗也更大了。所以在实际使用当中,对电容缓冲电路限制较多,并不常用。
图4-15 缓冲电路
a)电容缓冲电路 b)RC缓冲电路 c)RCD缓冲电路
使用RC缓冲电路可以有效克服电容缓冲电路的缺点。虽然由于电阻的存在,使得开关管关断时的缓冲效果比使用电容缓冲电路时较差,但是也正是由于电阻的存在,限制了开关管导通时的电流峰值。电阻取值不同,缓冲效果也不同。按照实际中的使用经验,电阻越小,缓冲吸收效果就越好。
RCD缓冲电路在RC缓冲电路的电阻两端并联了一个二极管,这个改动使开关管在关断时电流通过二极管向电容充电,因为二极管正向导通的压降很小,所以对电压尖峰的吸收与单个电容缓冲电路差不多。当开关管导通时,由于二极管的存在,使得电容必须经过电阻才能放电,吸收作用与RC缓冲电路相当。
在实际的LED驱动电源设计中,综合考虑到成本、体积和缓冲效果等因素,大多采用RC缓冲吸收电路。
设计时首先需确定电路的分布电感。分布电感是特定电路布局固有的特性,通常不容易计算,一般用测量方法来确定。在没有加任何缓冲器的时候,用示波器观察开关管关断时的波形,可以得出关断时的一个振荡周期,记为T1;在开关管两端并联一个电容值确定的测试电容Ctest,测量开关管关断电压波形,得到此时振荡周期T2。电路的分布电感的计算公式为
分布电容量CP为
在开关管关断时,缓冲电容对于电压的变化相当于短路,那么缓冲电路中就相当于只有电阻。缓冲电阻的选择不能大于电路的特性阻抗,这样在开关闭合时就能够把感应电流连续地进行缓冲吸收,不会有瞬态电压产生。缓冲电阻为(www.daowen.com)
RC缓冲电路是一种耗能电路,在缓冲电容C上存储的能量都要消耗在缓冲电阻R上,在电容中存储的能量PC为
式中,UDS为关断电压。
缓冲电容能够存储的能量要比电路中分布电感存储的能量大,需要满足的条件是
式中,I为关断电流。
缓冲电路的时间常数要比功率开关管的导通时间短,这样在开关管导通时存储在缓冲电路中的能量才能够释放完毕,要满足的条件是
为了降低在电阻上的功率损耗,缓冲电容的选择可以在允许范围内选一个较小的值。
2.二极管增加缓冲电路
二极管由导通到关断时的反向恢复电流和高di/dt也会造成电磁干扰。为了抑制这种干扰,可以给二极管并联一个RC缓冲电路,其中,电容的典型值为330~4700pF,电阻为0~27Ω。在实际使用中,需要采用实物试探法来多次试验不同的阻值和容值,以取得最好的效果。另外,缓冲电路要尽量靠近二极管安装,以取得更好的缓冲吸收效果。
3.开关管增加驱动电阻
在开关管的栅极加驱动电阻能延长开关管的导通和关断时间,从而有效减小电路中的电流变化率和电压变化率,进而减小电磁干扰。增大驱动电阻有利于减小电压干扰,但是过大的驱动电阻会使损耗增大,尤其是在开关频率较高的时候会影响驱动电源的整体效率,因此在选取驱动电阻时要兼顾电磁干扰和效率。
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