RCD尖峰吸收电路设计
1. 电容选型设计
电容容值计算公式：
$$
C = \frac{L_{\text{leak}} \cdot I_{\text{pk}}^2}{V_{\text{clamp}} \cdot (V_{\text{clamp}} – V_{\text{in}})}
$$
参数定义表：
| 符号 | 物理意义 | 单位 | 典型取值示例 |
|---|---|---|---|
| ($L_{\text{leak}}$) | 变压器漏感 | μH | 5 μH（实测值） |
| ($I_{\text{pk}}$) | 开关管峰值电流 | A | 2 A |
| ($V_{\text{clamp}}$) | 允许的最大钳位电压 | V | 150 V |
| ($V_{\text{in}}$) | 输入电压 | V | 100 V |
设计示例：
- 参数输入： $$
L_{\text{leak}}=5\ \mu\text{H},\ I_{\text{pk}}=2\ \text{A},\ V_{\text{clamp}}=150\ \text{V},\ V_{\text{in}}=100\ \text{V}
$$ - 计算电容容值： $$
C = \frac{5 \times 10^{-6} \times 2^2}{150 \times (150-100)} = 2.66\ \text{nF} \quad (\text{取3.3nF})
$$
2. 二极管选型设计
关键参数公式：
$$
V_{\text{RRM}} \geq 1.5 \cdot V_{\text{clamp}}
$$
$$
t_{\text{rr}} \leq 0.1 \cdot T_{\text{sw}}
$$
参数约束表：
| 参数 | 计算公式 | 示例（150V系统） |
|---|---|---|
| 反向耐压 ($V_{\text{RRM}}$) | ≥1.5×钳位电压 | ≥225 V |
| 反向恢复时间 ($t_{\text{rr}}$) | ≤10%开关周期 | ≤50 ns（100kHz） |
| 峰值电流 ($I_{\text{DM}}$) | ≥开关管峰值电流 | ≥3 A |
3. 电阻选型设计
电阻功耗公式：
$$
P_R = \frac{0.5 \cdot L_{\text{leak}} \cdot I_{\text{pk}}^2 \cdot f_{\text{sw}}}{V_{\text{clamp}} – V_{\text{in}}}
$$
时间常数验证：
$$
R \cdot C \geq \frac{5}{f_{\text{sw}}}
$$
参数计算表：
| 参数 | 计算公式 | 示例（100kHz系统） |
|---|---|---|
| 功耗 ($P_R$) | 能量损耗×频率 | ($P_R=0.8\ \text{W}$) |
| 阻值 ($R$) | ($R = \frac{V_{\text{clamp}} – V_{\text{in}}}{I_{\text{pk}}}$) | ($R=25\ \Omega$) |
| 功率降额 | 实际功率≤标称功率×60% | 选2W金属膜电阻 |
设计验证示例：
- 计算电阻值： $$
R = \frac{150 – 100}{2} = 25\ \Omega
$$ - 验证时间常数： $$
R \cdot C = 25 \times 2.2\ \text{nF} = 55\ \text{ns} \quad (>50\ \text{ns}\ \text{满足100kHz要求})
$$
电流模式选择
边界电感：
$$
L_{\text{crit}} = \frac{V_{\text{in}} \cdot D \cdot T_{\text{sw}} \cdot (1-D)}{2 \cdot I_{\text{out}} \cdot N^2}
$$
参数定义：
- ( $V_{\text{in}}$ )：输入电压（V）
- ( $D$ )：占空比
- ( $T_{\text{sw}}$ )：开关周期（s）
- ( $I_{\text{out}}$ )：输出电流（A）
- ( $N$ )：变压器匝比（( N = N_p / N_s )）
模式判定规则
- CCM条件： $$
L_{\text{pri}} > 1.2L_{\text{crit}} \quad \Rightarrow \quad \text{连续导通模式}
$$ - DCM条件： $$
L_{\text{pri}} < L_{\text{crit}} \quad \Rightarrow \quad \text{不连续导通模式}
$$
| 模式类型 | DCM（不连续导通） | CCM（连续导通） | BCM（临界导通） |
|---|---|---|---|
| 电流特征 | 每周期电感电流归零 | 电感电流始终>0 | 电流恰好在周期结束时归零 |
| 波形特征 | 梯形波（有明显零电流平台） | 三角波叠加 | 三角波顶点归零 |
| 开关应力 | 关断电压尖峰较高 | 关断电压应力较低 | 中等电压应力 |
| EMI特性 | 高频谐波较多（di/dt大） | 低频谐波为主 | 介于两者之间 |
| 适用功率 | <75W | >100W | 50-150W |
UC3842电路设计
1. 启动电路（多电阻串联）
1.1 参数计算公式
启动电阻选型公式：
$$
R_{\text{start}} = \frac{V_{\text{IN_min}} – V_{\text{UVLO_on}}}{I_{\text{start_up}}}
$$
储能电容计算：
$$
C_{\text{vcc}} = \frac{I_{\text{cc}} \cdot t_{\text{start}}}{V_{\text{UVLO_on}} – V_{\text{UVLO_off}}}
$$
参数定义表：
| 符号 | 物理意义 | 典型值 |
|---|---|---|
| $V_{\text{IN\_min}}$ | 最低输入电压 | 100 V (交流整流后) |
| $V_{\text{UVLO\_on}}$ | 启动阈值电压 | 16 V (UC3842规格) |
| $I_{\text{start\_up}}$ | 启动期间平均电流 | ≈5 mA |
| $I_{\text{cc}}$ | 芯片工作电流 | 10 mA (带驱动负载) |
| $t_{\text{start}}$ | 系统启动时间要求 | ≤50 ms |
设计示例：
- 输入参数：
$$
V_{\text{IN}}=300\ \text{Vdc}，t_{\text{start}}=30\ \text{ms}
$$
- 计算启动电阻：
$$
R_{\text{start}} = \frac{300 – 16}{0.005} = 56.8\ \text{kΩ} \quad (\text{取56 kΩ})
$$
- 功率验证：
$$
P = \frac{(300)^2}{56k} = 1.6\ \text{W} \quad (\text{选2W金属膜电阻})
$$
- 储能电容计算：
$$
C_{\text{vcc}} = \frac{0.01 \cdot 0.03}{16 – 10} = 50\ \mu\text{F} \quad (\text{选47 μF/25V电解})
$$
2. 振荡器频率设置（RT/CT）
2.1 频率计算公式
$$
f_{\text{sw}} = \frac{1.72}{R_t \cdot C_t}
$$
（公式适用条件：$R_t \geq 5\ \text{kΩ}$，$C_t \geq 100\ \text{pF}$）
2.2 参数选择表
| 频率范围 | 20-50 kHz | 50-100 kHz | 100-200 kHz | >200 kHz |
|---|---|---|---|---|
| 核心特点 | 传统设计，低成本 | 效率与体积平衡 | 高频小型化 | 高频先进器件 |
| 变压器体积 | 大（EI/EER磁芯） | 中等（PQ/RM磁芯） | 小（EFD/平面磁芯） | 极小（平面磁芯） |
| 效率 | 高（85%-92%） | 较高（83%-90%） | 中（80%-88%） | 较低（75%-85%） |
| EMI特性 | 易处理 | 需基础滤波 | 需复杂滤波 | 需严格EMI抑制 |
| 开关损耗 | 低 | 中等 | 较高 | 高（需GaN/SiC器件） |
| 典型功率 | 50W-300W | 30W-150W | 10W-100W | <50W |
| 应用场景 | 工业电源适配器、LED驱动 | 家电控制器、显示器电源 | 手机快充、笔电适配器 | 超薄设备、卫星电源 |
时序特性验证：
3. 栅极驱动电路
3.1 关键参数计算
驱动电阻选择：
$$
R_g = \frac{V_{\text{drv}} – V_{\text{th}}}{I_{\text{peak}}}
$$
（其中$I_{\text{peak}}$根据MOSFET Qg和开关时间需求确定）
下拉电阻：
$$
R_{\text{pd}} \leq \frac{V_{\text{th}}}{I_{\text{leakage}}}
$$
典型参数表：
| 参数 | MOSFET示例 (IRF840) | 计算依据 |
|---|---|---|
| 栅极电荷Qg | 63 nC | 数据手册 |
| 目标开通时间 | 50 ns | $t_{\text{on}}$=3$\cdot$ $R_g $$\cdot$ $C_{\text{iss}}$ |
| 驱动电流峰值 | 1.2 A | $I_{\text{peak}}$=$Q_g/t_{\text{on}}$ |
示例计算：
- 选取开通时间 $t_{\text{on}}=50\ \text{ns}$
- 计算驱动电流：
$$
I_{\text{peak}} = \frac{63\ \text{nC}}{50\ \text{ns}} = 1.26\ \text{A}
$$
- 计算Rg：
$$
R_g = \frac{12\ \text{V} – 4\ \text{V}}{1.26\ \text{A}} = 6.3\ \Omega \quad (\text{取6.8 Ω})
$$
3.2 物理实现规范
| 元件 | 规格要求 | 推荐型号 |
|---|---|---|
| $Rg$ | 阻值5-10Ω，功率≥1W | WR08X6R8FTA |
| $Rpd$ | 阻值10-20kΩ，0805封装 | ERJ-6GEYJ103V |
| 走线 | 驱动环路面积<1cm² | 使用双面铺地 |
4. 电流检测电路
4.1 计算公式
采样电阻值：
$$
R_s = \frac{V_{\text{sense_max}}}{I_{\text{pk_max}}}
$$
（$V_{\text{sense\_max}}=1\ \text{V}$(UC3842规格) )
滤波器设计：
$$
R_f \cdot C_f = \frac{1}{2\pi f_{\text{sw}}}
$$
设计示例：
- 最大峰值电流 $I_{\text{pk}}$=2$\ \text{A}$
$$
R_s= 1/2 = 0.5\ \Omega \quad (\text{选0.5Ω/2W合金电阻})
$$
- 滤波设计（100kHz系统）：
$$
R_f \cdot C_f = 1/(2\pi \times 100k) ⇒ 选Rf=1kΩ, Cf=1.5nF
$$
5. 反馈电路
1. 电路拓扑设计
设计公式：
$$
V_{\text{ref}} = 2.5\ \text{V} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \cdot V_{\text{out}}
$$
示例计算：
| 参数 | 取值 | 计算过程 |
|---|---|---|
| 目标输出电压 | $24\ \text{V}$ | $R_1 = \left(\frac{24\ \text{V}}{2.5\ \text{V}} – 1\right) \cdot R_2$ |
| 分压电流 $I_{\text{div}}$ | $\geq 1\ \text{mA}$ | 取$R_1=15\ \text{kΩ}$ → $R_2=1.6\ \text{kΩ}$（E96系列选1.62 kΩ） |
2. 光耦驱动电路
$I_{\text{LED}}$取值原则：
PC817X4 CTR性能表：
| $I_{\text{LED}} $(mA) | 初始CTR (%) | 85℃时CTR (%) |
|---|---|---|
| 5 | 160 | 128 |
| 10 | 200 | 160 |
| 15 | 190 | 152 |
R3计算公式：
$$
R_3 = \frac{V_{\text{out}} – V_{\text{LED}} – V_{\text{KA}}}{I_{\text{LED}} + I_{\text{KA}}}
$$
变量定义：
- $V_{\text{LED}}$：光耦LED正向压降（$1.1\sim1.4\ \text{V}$）
- $V_{\text{KA}}$：TL431阴极-阳极电压（$\geq 2.5\ \text{V}$）
- $I_{\text{KA}}$：TL431阴极电流（$\geq 2\ \text{mA}$）
- $I_{\text{LED}}$：光耦LED电流（$5\sim20\ \text{mA}$，由CTR决定）
示例计算（24V系统）：
$$
R_3 = \frac{24\ \text{V} – 1.2\ \text{V} – 2.5\ \text{V}}{10\ \text{mA} + 2\ \text{mA}} = 1691\ \Omega \quad (\text{取1.6 kΩ/0.5 W})
$$
3. 光耦输出接口
3.1 限流电阻 R1
功能：限制光耦最大导通电流
公式：
$$
R_1 = \frac{V_{\text{REF}} – V_{\text{CE}} – V_{\text{FB_target}}}{I_{\text{C_max}}}
$$
参数定义：
| 符号 | 物理意义 | 典型值 |
|---|---|---|
| $V_{\text{REF}}$ | 基准电压 | $5\ \text{V}$ |
| $V_{\text{CE}}$ | 光耦饱和压降 | $0.1\sim0.3\ \text{V}$ |
| $V_{\text{FB\_target}}$ | 目标反馈电压 | $2.5\ \text{V}$ |
| $I_{\text{C\_max}}$ | 光耦最大集电极电流 | $3\sim5\ \text{mA}$ |
设计示例：
- 参数：$V_{\text{REF}}=5\ \text{V}$，$V_{\text{CE}}=0.2\ \text{V}$，$I_{\text{C\_max}}=3\ \text{mA}$
- 计算：
$$
R_1 = \frac{5 – 0.2 -2.5}{0.003} = 766\ \Omega \quad (\text{取750 Ω})
$$
- 验证：
$$
I_C = \frac{5-0.2-2.5}{750} = 3.07\ \text{mA}
$$
3.2 RC滤波网络设计
功能：滤除高频噪声（$>200\ \text{kHz}$） 公式：
$$
C_{\text{filter}} = \frac{1}{2\pi f_{\text{cutoff}} R_{\text{eq}}} \quad \text{且} \quad f_{\text{cutoff}} = \frac{f_{\text{noise}}}{10}
$$
| 参数 | 物理意义 | 设计依据 |
|---|---|---|
| $f_{\text{noise}}$ | 噪声频率 | 开关频率的2倍 |
| $R_{\text{eq}}$ | 等效电阻 | 光耦输出阻抗+控制器输入阻抗 |
设计示例：
- $f_{\text{noise}}=2\ \text{MHz}$，$R_{\text{eq}}=1\ \text{kΩ}$
- $f_{\text{cutoff}}=200\ \text{kHz}$
- 计算：
$$
C_{\text{filter}}=\frac{1}{2\pi \times 200k \times 1k} \approx 796\ \text{pF} \quad (\text{取820 pF})
$$
4. 参数约束表
| 参数 | 符号 | 典型值 | 安全裕量 |
|---|---|---|---|
| 分压电流 | $I_{\text{div}}$ | $\geq 1\ \text{mA}$ | 20% |
| TL431阴极电流 | $I_{\text{KA}}$ | $\geq 2\ \text{mA}$ | 100% |
| 光耦LED功耗 | $P_{\text{LED}}$ | $\leq 50\ \text{mW}$ | 降额30% |
5. 补偿网络设计
5.1 设计公式
补偿电阻：
$$
R_c = \frac{V_{\text{FB_min}}}{I_{\text{C_min}}}
$$
相位补偿电容：
$$
C_c = \frac{1}{2\pi f_{\text{cross}} R_c}
$$
主极点电容：
$$
C_1 = \frac{1}{2\pi f_{\text{p1}} R_c}
$$
5.2 参数定义
| 符号 | 物理意义 | 单位 | 典型取值 |
|---|---|---|---|
| ($ V_{FB\_min} $) | FB引脚最低工作电压 | V | 1.8（UC3842规格） |
| ($ I_{C\_min} $) | 光耦最小集电极电流 | μA | ≥50（可靠性要求） |
| ( $f_{cross}$ ) | 环路交越频率 | kHz | 5（稳定性目标） |
| ( $f_{p1}$ ) | 主极点频率 | Hz | 100（衰减低频） |
5.3 分步计算
步骤1：计算Rc
$$
R_c = \frac{1.8\ \text{V}}{50\ \mu\text{A}} = 36\ \text{kΩ} \quad (\text{取33 kΩ})
$$
- 验证：( $ I_C$ = $\frac{1.8}{33k}$ = 54.5$\ \mu\text{A}$ > 50$\ \mu\text{A}$ ) ✔️
步骤2：计算Cc
$$
C_c = \frac{1}{2\pi \times 5k \times 33k} = 0.96\ \text{nF} \quad (\text{取1 nF})
$$
步骤3：计算C1
$$
C_1 = \frac{1}{2\pi \times 100 \times 33k} = 48\ \text{nF} \quad (\text{取47 nF})
$$
6. 反馈电路动态响应
