在電源網(wǎng)論壇里，就存在這樣一些人，他們時(shí)常能DIY出被網(wǎng)友們稱之為的經(jīng)典設(shè)計(jì)，出于大家能夠共同學(xué)習(xí)的目的，小編抓住了難得的機(jī)會(huì)，整理了這些經(jīng)典帖，供分享學(xué)習(xí)。

本文設(shè)計(jì)分享來(lái)自“mko145”的精華帖。--------小編語(yǔ)

前幾天寫(xiě)了個(gè)貼子， 討論了一下 RCD公式計(jì)算出的電阻值與實(shí)際的參數(shù)為什么相差很大。(有興趣的朋友請(qǐng)參看：談?wù)?RCD 的計(jì)算結(jié)果為何與實(shí)驗(yàn)參數(shù)出入很大 )

其中有朋友提出討論一下 “RCD線路中的二極管D的選擇問(wèn)題”。 對(duì)于二極管的選擇，相信大多數(shù)工程師都很有經(jīng)驗(yàn)。壇子里相關(guān)的討論不算多(當(dāng)然這也不是個(gè)重要的問(wèn)題)。后來(lái)做了些實(shí)驗(yàn)，在這和大家分享一下，有興趣的朋友請(qǐng)一起討論。

在上個(gè)帖子里談到：計(jì)算誤差大的其中一個(gè)原因是二極管的開(kāi)關(guān)速度不夠快(即便是快速恢復(fù)二極管)。各大 IC 公司的公式大都是基于這樣一個(gè)假設(shè)——即二極管是理想的開(kāi)關(guān)，正向?qū)〞r(shí)間是0，反向恢復(fù)時(shí)間也是0。于是由初級(jí)漏感而引起的所有的能耗都消耗在了電阻Rsn上。由這個(gè)公式計(jì)算出來(lái)的電阻數(shù)值比起實(shí)際的參數(shù)通常要小很多。

大家可能會(huì)有這樣的經(jīng)驗(yàn) - 選擇越慢的二極管(反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng))，則這個(gè)計(jì)算的誤差就越大。 比如說(shuō)在談?wù)?RCD 的計(jì)算結(jié)果為何與實(shí)驗(yàn)參數(shù)出入很大 中的例子里，用的是反向恢復(fù)實(shí)際只有75nS的超快恢復(fù)二極管 UF4007。 假如用恢復(fù)速度慢些的二極管， 那么情況會(huì)大不一樣了?，F(xiàn)在有的線路中使用開(kāi)關(guān)速度很慢1N4007。 在之前的帖子中，我沒(méi)有提到用慢速二極管而造成的計(jì)算誤差，是因?yàn)槿绻褂?N4007，那么就不用算了。因?yàn)檎`差會(huì)大到“計(jì)算本身完全失去了意義”。給大家一個(gè)直觀的例子 - 在上個(gè)帖子的例子中計(jì)算出的電阻數(shù)值是33K， 如果二極管用1N4007的話，實(shí)際上270K的電阻就可以了。

說(shuō)起二極管的開(kāi)關(guān)特性，大家都會(huì)想到“二極管的反向恢復(fù)時(shí)間”。這也是衡量一個(gè)二極管開(kāi)關(guān)速度的主要參數(shù)。大家對(duì)此都很熟悉。不過(guò)，下面我想先談?wù)劧O管的正向恢復(fù)時(shí)間：

對(duì)于“二極管正向恢復(fù)時(shí)間”，好像關(guān)心的人很少。電源網(wǎng)的壇子里似乎也沒(méi)有相關(guān)的帖子。相反，在“世紀(jì)電源”的論壇里，關(guān)于這個(gè)話題曾經(jīng)有過(guò)“熱鬧的”辯論。有人認(rèn)為“正向恢復(fù)只是書(shū)本上一個(gè)概念”。

讓我們先來(lái)看一下反激電源MOS管Vds 的波形。一般的RCD計(jì)算的資料中的圖形是這樣的：

上面的波形是理想的樣子，把二極管看成了一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。很多講RCD計(jì)算的AN里都是這樣的。而實(shí)際上的波形會(huì)有些不同，比如說(shuō)我之前的帖子中的例子。波形是下面的樣子：

實(shí)際的波形非但遠(yuǎn)沒(méi)有理想的波形漂亮，還有一個(gè)很高的尖峰。這個(gè)尖峰超過(guò)50-60V。單憑這一點(diǎn)計(jì)算公式就有了很大誤差了。

下面的圖中，藍(lán)色的是二極管UF4007的正極波形，黃色是二極管的負(fù)極：

由圖中看到二極管在Vds上升后，并沒(méi)有能很快地導(dǎo)通。在開(kāi)始的幾十至一百ns內(nèi)，二極管的正向?qū)妷河袔资甐之多。幾十V的正向電壓 - 換句話說(shuō)也就是二極管沒(méi)有導(dǎo)通。

后來(lái)終于也有人開(kāi)始正視這個(gè)問(wèn)題了，比較近期的資料上已經(jīng)清楚的標(biāo)出了這個(gè)由于二極管正向?qū)ㄑ訒r(shí)而造成的尖峰。

大多數(shù)的二極管制造商都不會(huì)在 datasheet 中給出這個(gè)“正向恢復(fù)時(shí)間”的參數(shù)。于是大家也一直覺(jué)得相對(duì)于反向的恢復(fù)時(shí)間，正向?qū)ㄊ窍喈?dāng)快的，可以忽略不計(jì)。事實(shí)上，在某些快速開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合，這個(gè)參數(shù)還是要考慮的。像LINEAR的這個(gè)AN中提到的：

Diode Turn-On Time Induced Failures - an122f

也不是所有的二極管規(guī)格書(shū)中都沒(méi)有提到“正向恢復(fù)”這個(gè)參數(shù)，還是讓我找到了一個(gè) - ON Semi 的：

MUR260-D 

在 MUR260 的規(guī)格書(shū)中給出的正向恢復(fù)時(shí)間是50ns?？磥?lái)比UF4007要快。

這里并不想深入討論“正向恢復(fù)”這個(gè)參數(shù)。由于這個(gè)參數(shù)會(huì)對(duì)RCD的線路多少有些影響，所以想比較一下不同開(kāi)關(guān)速度的二極管的正向?qū)ㄌ匦缘牟町悺? 以下的例子中還是用“ 談?wù)?RCD 的計(jì)算結(jié)果為何與實(shí)驗(yàn)參數(shù)出入很大 ”中的反激電源為例：

上圖中是用三種不同開(kāi)關(guān)速度(反向恢復(fù)時(shí)間)的二極管UF4007、FR107和1N4007 來(lái)作比較。可以發(fā)現(xiàn)其正向恢復(fù)時(shí)間是差不多的。如果真的要仔細(xì)比較的話，那么UF4007 好像要導(dǎo)通的稍微慢一點(diǎn)。

上面各波形對(duì)應(yīng)的RCD參數(shù)如下：

那么如果電阻 Rsn =39K 和電容 Csn = 10nF 不變，而只改變二極管呢?

由上面的圖中看出 - 鉗位電壓Vsn隨著二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的加長(zhǎng)而顯著下降。

使用反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的二極管(其作用)：

1. 可以使鉗位電壓 Vsn 降低。

2. 1N4007不但能降低 Vsn，還大大降低了初級(jí)漏感Llk與 MOS 管 Coss諧振的幅度(有利于改善EMI)。

看一看實(shí)驗(yàn)中的這幾種最常用的的二極管的反向恢復(fù)時(shí)間：

對(duì)于 UF4007 和 FR107， 看了一些廠家的 datasheet， 其反向恢復(fù)時(shí)間是完全一樣的。 然而，1N4007 就不同了。像Good Ark 的 1N4007 ，反向恢復(fù)時(shí)間 Trr只有 2us(還是比較快的)， 但通用半導(dǎo)體的1N4007有 30us 之多。還有的廠家沒(méi)有注明反向恢復(fù)時(shí)間的，可能比30us還要長(zhǎng)。

所以 PI 的資料中講，不要用沒(méi)有標(biāo)明反向恢復(fù)時(shí)間的 1N4007。

上面實(shí)驗(yàn)中用的1N4007，我手上沒(méi)有規(guī)格書(shū)。無(wú)從知道反向恢復(fù)時(shí)間Trr是多少， 只能自己測(cè)一下了。

參考別人規(guī)格書(shū)中的 Test Setup，

我用的數(shù)值和上圖中的參數(shù)不是完全一樣，但接近。

由于開(kāi)關(guān)的原因，有些noise。但不影響測(cè)量

實(shí)際測(cè)得的反向恢復(fù)時(shí)間大概是2us， 還不錯(cuò)。

下面來(lái)看看反向恢復(fù)時(shí)間 Trr 為什么會(huì)對(duì) RCD 的鉗位電壓有影響。

圖中藍(lán)色線為二極管UF4007(+)的電壓波形，也就是Vsn。黃色線為二極管(-)，或者說(shuō)是電容 Csn上的電壓。(示波器的地接 Vin)

1. 圖中二極管正向?qū)ê髮?duì)電容Csn充電，至A點(diǎn)充電完成。之后二極管正極電壓開(kāi)始低于負(fù)極電壓，二極管反向。

2. 由于UF4007的反向恢復(fù)時(shí)間有 75ns，在這段時(shí)間內(nèi)二極管可以看成一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的電阻(阻值由小變大)。圖中的黃色線，實(shí)際上是電容 Csn上的電壓?？梢钥闯鲈贏點(diǎn)到B點(diǎn)的這段時(shí)間，電容上的電壓有明顯的下降，也就是放電。

3. 這個(gè)放電的速度比通過(guò)電阻 Zsn的正常放電速度要快很多。顯然，是通過(guò)二極管放的電。

上面的例子里用的是超快恢復(fù)的 UF4007，可以想見(jiàn)如果是慢些的 FR107，或者更慢的1N4007，那么放電是時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)、等效的動(dòng)態(tài)電阻也越小 。 鉗位電壓Vsn 自然要更低了。

接下來(lái)分析一下第4帖中的使用三種開(kāi)關(guān)速度不同的二極管的 RCD鉗位電路中，電阻Rsn上的能耗。

參數(shù)分別如下：

圖一　　Vsn = 212V　　D = UF4007;　　C = 10N;　　R = 39K;　　　VCsn = 119V

圖二　　Vsn = 213V　　D = FR107;　　　C = 10N;　　R = 120K;　　VCsn = 139V

圖三　　Vsn = 212V　　D = 1N4007;　　C = 10N;　　R = 270K;　　VCsn = 122V

由上面的參數(shù)可以算出 RCD 鉗位線路電阻上的功耗分別是 0.36W、0.16W 和 0.055W。三組線路得到的鉗位電壓 Vsn 大致一樣。如果能量全部被 RCD 吸收的話，那么電阻Zsn 上的功耗也應(yīng)該基本一致。但是實(shí)際測(cè)量和計(jì)算出的結(jié)果不是這樣的 ~

原因很顯然 - 電容 Csn上的能量經(jīng)二極管(反向)放掉了一部分。對(duì)于1N4007的電路來(lái)說(shuō)，是放掉了很大的一部分。

能量去了哪里呢? 讓我們先來(lái)看看“西安科技大學(xué)劉樹(shù)林教授”的分析 ~ (摘自：電源網(wǎng)技術(shù)文章分享——RCD鉗位電路 )

5)t4-t5階段。t4時(shí)刻，二極管D1已關(guān)斷，但由于開(kāi)關(guān)管漏源寄生電容Cds的電壓UDS=Ui+UCP>Ui，將有一反向電壓加在變壓器原邊兩端，因此，Cds與變壓器原邊勵(lì)磁電感Ls及其漏感Llk開(kāi)始諧振，其能量轉(zhuǎn)移等效電路如圖2(e)所示。諧振期間，開(kāi)關(guān)管的漏源電壓UDS逐漸下降，儲(chǔ)存于Cds中的能量的一部份將轉(zhuǎn)移到副邊，另一部分能量返回輸入電源，直到t5時(shí)刻諧振結(jié)束時(shí)，漏源電壓UDS穩(wěn)定在Ui+Uf。由于此階段二極管D1關(guān)斷，鉗位電容C1通過(guò)電阻R1放電，其電壓UC將下降。結(jié)合圖1和圖2進(jìn)行分析可知：如果反饋電壓大于鉗位電容電壓，則在整個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間，回饋電壓一直在向RCD鉗位電路提供能量，而該能量最終將被電阻R1消耗，因而將產(chǎn)生巨大的損耗。

先來(lái)把圖重新畫(huà)一下，看的舒服一些。

上面劉教授的分析中，是假設(shè)二極管沒(méi)有反向恢復(fù)時(shí)間的理想元件。而實(shí)際上反向后的二極管在一段時(shí)間內(nèi)(Trr)，等效成一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的電阻。見(jiàn)下圖

在電容 Coss 對(duì)初級(jí)漏感 Llk放電的同時(shí)，Csn 也通過(guò)Dsn向漏感放電。

于是原本只有 Coss 和 Llk 參與的諧振，在初始的階段實(shí)際上 Csn 也參與了進(jìn)來(lái)。同時(shí)也帶來(lái)了 Csn上部分能量。

劉教授講 - “諧振期間，開(kāi)關(guān)管的漏源電壓UDS逐漸下降，儲(chǔ)存于Cds中的能量的一部份將轉(zhuǎn)移到副邊，另一部分能量返回輸入電源”。

根據(jù)此說(shuō)法，如果諧振的能量能夠一部分轉(zhuǎn)移到次級(jí)，那么電源整體的效率是不是會(huì)提高呢?

答案是肯定的 ~ 由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看出 - 鉗位電壓Vsn相同的情況下，使用反向恢復(fù)越慢的二極管， 電源的效率就會(huì)越高。 二極管上的功耗會(huì)相應(yīng)地大一些，但溫度并不是高很多。

劉教授關(guān)于Cds(Coss)能量的分析中“另一部分能量返回輸入電源 ”的說(shuō)法，我不大認(rèn)同。如果撇開(kāi)次級(jí)不看，初級(jí)部分就是一個(gè)漏感 Llk、電容 Coss和輸入電源的串聯(lián)電路。對(duì)于AC來(lái)說(shuō)，電源 Vin相當(dāng)于短路。諧振的能量是不能返回輸入電源 Vin的。 用 Pspice 線路仿真驗(yàn)證一下。

諧振的幅度沒(méi)有減小，也就是說(shuō) - 能量沒(méi)有轉(zhuǎn)移輸入電源。次級(jí)方面呢?

反向恢復(fù)慢的二極管 1N4007 在 RCD 線路中應(yīng)用，抑制了初級(jí)漏感上的能量引致的諧振(振鈴現(xiàn)象) -

1. 有助于減小次級(jí)輸出的電壓波動(dòng)。

2. 大大地減小 1MHz ~ 十幾MHz間的 EMI 噪聲。

Effects of Fast vs. Slow Diodes in Clamp Circuit A slow reverse recovery diode (>1 us) reduces the feedback voltage ringing and improve output regulation. Using a fast diode(500 ns) increases the amplitude of ringing which can result in increased output ripple. In Figure 15 the (larger) ring amplitude when using a FR104 diode represents up to an 8% error in the sampled voltage over the time period 2.5 us to 3.1 us.

下面摘自 ON Semi的 AN8461

There is a difference in ringing (and subsequently in radiated EMI) depending on usage of TVS clamp or the RCD clamp with the “slow” 1N4007. Figures 7 and 8 show the difference in ringing voltages between the two implementations, under the same input voltage and load conditions. The ringing peak to peak voltage is 226 V in case of use the TVS. This high amplitude of ringing is decreased by the usage of RCD clamp, where the ringing peak?to?peak voltage is only 106 V. This approach significantly reduces the EMI noise in frequency band from 1 to 10 MHz.

上面介紹了反向恢復(fù)慢的二極管(1N4007) 應(yīng)用于 RCD鉗位線路的諸多好處： 效率高、鉗位電壓低、抑制振鈴、有助于減小 EMI 等等 ........ 那么是不是 1N4007 那里都可以用呢 ?

1. 由于反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，1N4007上的反向電流相對(duì)會(huì)大、發(fā)熱也多，尤其是在開(kāi)機(jī)、過(guò)載或是輸出短路的時(shí)候。相對(duì)的電源可靠性要差， 所以在小功率的場(chǎng)合用的比較多。

2. 反向恢復(fù)的時(shí)間不能太長(zhǎng)。只能用 Trr 大概是 2us左右 的 1N4007。(PI 的資料上講)規(guī)格書(shū)上沒(méi)有指定反向恢復(fù)時(shí)間的二極管不能用。

3. 在頻率比較高、CCM模式占空比大的情況下要格外注意。 一旦二極管反向恢復(fù)太慢，在還沒(méi)有完全截止的時(shí)候， MOS再次導(dǎo)通。會(huì)有可能造成二極管損壞，進(jìn)而破壞整個(gè)電源系統(tǒng)。

下面總結(jié)了一下不同開(kāi)關(guān)速度的二極管用于 RCD鉗位電路的性能對(duì)比。