高压反相反激式转换器的二极管选择过程和缓冲器设计

本应用笔记介绍了用于用户线接口卡 (SLIC) 应用的高压反相反激式转换器的二极管选择过程和缓冲器设计。讨论了影响电路中开关瞬态的关键二极管参数，以及输出二极管缓冲电路的设计。

简介

对于速度和切换时间是一个重要因素的应用，使用满足您所需的快速反应时间的组件非常有帮助。这些应用可能从焊接在 PCB 上的小型电路到大型制造机器，其中时间表是成败的交易。

PC 和电信市场的最新发展现在将电力电子开关频率从线路频率扩展到 MHz 范围。这一趋势导致了电子开关元件技术的相应增长，例如功率整流器和功率开关。在这些开关频率下，超快功率整流器性能非常重要。它要求二极管具有软恢复特性的低恢复电荷和快速导通的低正向压降。本应用笔记的目的是讨论影响电路的二极管参数，以设计可靠的电源。

为了列举二极管参数对电路性能的影响，本应用笔记以使用 MAX1856 的反激电路为例。第一部分简要介绍这里用作示例的反激电路。第二部分讨论了影响电路中开关瞬态的重要二极管参数、输出二极管缓冲电路的设计以及整流器的导通、开关和反向阻断对总功耗的贡献。快速整流器的制造商可能会列出第二部分中讨论的全部或部分参数。第三部分也是最后一部分讨论了该电路中四种不同二极管的性能。这表明了一种评估应用电路中不同二极管性能的方法。

MAX1856 反激电路

MAX1856 在这里（图 1）用于反激配置，从 12V 输入为用户线路接口卡 (SLIC) 供电。0.32A 输出时的 -90V 用于振铃功能，而 0.15A 输出时的 -30V 用于通话电池。

SLIC 电源示意图。

MAX1856 电流模式 PWM 控制器使用反相反激式配置来产生 SLIC 电源所需的相对较高的负电压。PWM 模式控制器使用固定频率电流模式操作，其中占空比由输入输出电压比和变压器匝数比决定。电流模式反馈环路根据输出误差信号调节峰值电感电流。MAX1856使用低边外部检测电阻(图1中的R1)来监控峰值电感电流。控制器开启后立即将电流检测电路消隐 100ns，以最大限度地降低噪声灵敏度。此外，电流检测引脚 (CS+) 上的滤波器（图 1 中的 R10 和 C7）可提高抗噪能力。该时间常数应足够低，以免使电流检测信号失真。通常，最大 R10-C7 时间常数应小于控制回路正常工作的最小占空比的 1/10。参考MAX1856数据资料了解该电路设计流程的详细指南。

二极管波形和特性

快速整流二极管使用引脚结构的一些变化。从传导到阻断状态的转变需要有限的时间。这称为二极管的反向恢复时间 (trr)。这可以进一步分为时间 ta，在它可以阻止电压之前去除载流子（通过二极管的电流在短时间内反向），以及时间 tb，在此期间二极管电压变为负值变化率 dVR/dt。增加注入以降低正向压降意味着需要从本征区移除更多电荷，然后二极管才能阻断电压。因此，这将对反向恢复时间产生不利影响。快速恢复整流器制造商通常会尝试为这两个要求找到最佳平衡点。

反向恢复波形和定义。

上面的图 2 给出了快速恢复整流器的恢复特性的波形和定义。通过在时间 ta 期间流过大的反向电流来移除本征区中存储的电荷。在这段时间结束时，结变为反向偏置。此时的反向电流定义为峰值反向恢复电流 IRRM。IRRM 的值与通过过零 dIF/dt 的正向电流的变化率成正比。

IRRM = (dIF/dt) × ta

然后反向电流通过在时间 tb 中以 dIR/dt 的速率复合而减小。反向恢复电荷量由下式给出

QRR = (IRRM × trr)/2

其中 trr = ta + tb

一些整流器数据表可能会定义软度系数 S，其中

S = (ta/tb)

二极管电压现在以与 dIR/dt 成正比的速率变负。在二极管恢复期间，由于变压器次级中的寄生电感 LLS，电流的这种变化将导致反向电压过冲。峰值反向电压 VRRM 由下式给出

VRRM = LLS × dIR/dt

缓冲器设计

寄生二极管自电容 CD 由下式给出

CD = (IRRM × trr)/(2 × VRRM)

该寄生电容 CD 与变压器次级中的寄生电感 LLS 发生共振，通常会导致电流检测信号和应用电路中出现噪声问题。为了抑制这种振铃，可以在图 1 中的次级整流器 (D2) 的阴极使用 RC 缓冲器（缓冲器放置在该整流器上，因为该输出所需的输出功率最大）。缓冲器元件值 R5 和 C10 由下式给出（见图 1）

R5 = √ (LLS/CD) 和 C10 = 3 × CD 或 C10 = 4 × CD

整流器功耗

最后，在不同的操作模式下考虑整流器的功耗。在开关导通期间，能量正在积累并存储在变压器中。在此期间，整流器处于阻塞状态。阻塞状态的损失可以表示为

PR = IR × VR × D

其中 IR 是二极管的反向漏电流，VR 是二极管的反向电压，D 是占空比。

在此周期结束时，开关关闭，能量转移到输出。二极管现在开始导通，二极管中耗散的功率为

PF = IF × VF × (1-D)

其中 IF 是二极管的正向电流，VF 是二极管的正向压降。

在此周期结束时，二极管关闭并进入阻塞状态。从导通状态过渡到阻断状态期间的功耗由下式给出

Prec = VRRM × IRRM × 0.5 × f × tb

其中 IRRM 是峰值反向恢复电流，VRRM 是峰值反向电压，f 是开关频率。

编辑：hfy