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大家好，這里是大話硬件。
這篇文章總結一下最近在研究的反激電源RCD吸收回路和VDS尖峰問題。這也是為什么MOS管在開機容易被電壓應力擊穿的原因。
下圖是反激電源變壓器部分的拓撲。
在MOS開通時，VDS上電壓：
由于Rdson比較小，MOS開通時，VDS電壓也較小。此時，MOS漏極電壓應力較小。
然而，MOS關斷時，此時漏極會承受較大電壓應力，因此會在變壓器初級繞組上增加RCD吸收電路，用來吸收較大尖峰電壓，防止MOS因電壓應力出現雪崩擊穿。
于是，在電路中經?？吹竭@種方案。當然還有多種類型變種，如使用TVS或者穩(wěn)壓管，無論是哪種方案類型，本質都是吸收MOSFET關斷時尖峰電壓。
尖峰產生原因主要來自變壓器漏感，而漏感來源有兩種途徑：
（1）來源于變壓器本體，在骨架上繞線時，繞線疏密程度，分層繞組還是多組并繞制，這些不同的繞制方式，漏感均存在差異；如下圖中紅色和藍色繞線。
（2）來源于變壓器骨架焊接腳和線圈之間的線纜，變壓器線圈和骨架之間需要浸錫并焊接成型，如果繞線離變壓器骨架管腳較遠，則有較長的線纜并未和磁芯耦合。為了減少這部分漏感，貼片比直插就存在明顯的優(yōu)勢。
以上兩種情況如果變壓器廠家設計比較差，則變壓器漏感比較大，那么漏感為什么會產生尖峰呢？
用下面模型，可以從能量角度理解。
反激式開關電源不能用在大功率電源中，主要是變壓器體積和功率限制。在MOS開通時，變壓器需要存儲能量，在MOS關斷時才釋放，因此，能量傳遞到后級的大小和變壓器緊密相關。
同時，由于變壓器是磁芯器件，還存在飽和風險，因此反激變壓器還要考慮變壓器磁芯復位，占空比不能太大，磁芯要留氣隙，多種因素導致反激不適合用在大功率電源中。
正是因為上面原理，反激式開關電源只能在MOSFET關斷時傳遞能量，而初級繞組向次級傳遞能量主要靠變壓器骨架內包裹的磁芯。變壓器存在漏感，這部分漏感不會和磁芯產生耦合。另外，還有一些磁場并不會乖乖的通過磁芯向次級傳遞能量，而是在空氣中形成閉合路徑。
所以，MOSFET關斷時，總有一部分能量會因為無法傳遞而表現出較高電壓來維持開通時狀態(tài)，這就出現了尖峰電壓。
即使漏感能量很低，但是dt在ns級別，因此，還是會感應出較高的電動勢。
下面詳細分析RCD電路工作過程。
用下面的反激式電源進行仿真驗證
設定漏感為1uH
上電啟動時探針RCD的波形，從波形可以看出，系統(tǒng)剛上電時，芯片還未工作，此時MOSFET沒有動作，VC等于輸入電壓60V。理論和實際相符合。
第二步：芯片達到工作電壓，開始輸出PWM，開關導通，此時變壓器開始電感電流上升，漏感電流也上升，在MOS開通后，Coss電容已經放電完成
因為剛上電VC電壓已經達到60V，在MOS開通時，VDS=0V，此時VC電壓明顯高于VDS，所以此時二極管反偏截止，Coss通過MOS放電，變壓器初級繞組和漏感開始積累能量。
第三步：開關關閉，漏感中的能量無法傳遞到次級，漏感會產生下正上負的電壓，此時VDS的電壓開始上升
在VDS電壓上升初期，VC的電壓等于Vbus，此時二極管一直是關斷的，但是當副邊二極管開通后，反射到原邊的電壓Vor和漏感的電壓Vk會使VDS的電壓超過Vbus，注意，電容Vc的電壓是疊加在Vbus上，也就是VC在超過后該電壓后，二極管才開通。
第四步：當VDS的電壓大于VIN+Vc電容中的電壓時，此時二極管開始導通，漏感和副邊反射過來的電壓VOR+Vbus+Vk給C充電，一直充電到最大值VDS出現
此時，因為漏感中的能量在不斷給C充電，Coss充電，所以，VDS的電壓會不斷增加，直到漏感中的能量消耗殆盡，VDS的電壓達到尖峰電壓的最大值。
第五步：此時漏感中的能量消耗殆盡，漏感電壓0，此時VDS的電壓開始下降，二極管會因為反偏而截止，此時電容C對電阻放電，Coss的能量開始給漏感充電
此時coss給漏感充電，VDS的電壓開始下降，當coss電容放電結束后，此時VDS的電壓肯定比Vbus+Vor+Vk小，而后漏感中的能量又會給coss充電，此時Vk感應電壓為下負上正，此時：
第六步：當漏感中的能量消耗完畢后，此時電容又會反過來給漏感充電，漏感和coss電容來回充放電，形成了振蕩的波形，直到消耗完漏感的能量
當然，從Vds電壓由峰值電壓下降后，電容C就通過R在消耗，C上的電壓也會慢慢降低，二極管一直處于關閉狀態(tài)。
第七步：漏感沒能量后，此時VDS被鉗位在VBUS+VOR電壓
第八步：開關管一直處于關閉狀態(tài)，次級一直在消耗能量，當變壓器中的能量全部消耗完畢后，此時VDS的電壓被箝位在Vbus
第九步：當初級繞組和副邊繞組的能力都消耗完，此時coss又會給初級繞組充電，初級繞組和coss也形程振蕩
第十步：開關管開通，此時VDS又開始上升，重復上面的過程
如果將上面的VDS的波形畫出來，如下圖
仿真查看電容C上的電壓，在剛上電后
穩(wěn)定狀態(tài)時，VGS為低，MOS關斷，VDS電壓達到最大，此時電容吸收能量，而后并聯的電阻消耗能量。
將RC的電阻改為10K后，MOS關斷時，R消耗的能量增加，電容的電壓下降更多，但是R不能太小，否則損耗增加，整機效率降低，而且電阻會發(fā)熱。
根據上述的波形可知，RCD的電阻最大值出現在VDS的最大值，此時因為RCD吸收電路的C幾乎充滿了，已經無法再繼續(xù)充電了，因此VDS的尖峰電壓其實只是在前面的周期中被有效吸收，而在后續(xù)周期內，RCD吸收效果大打折扣。
經過對上述RCD吸收電路和VDS電壓波形的分析，可以得出幾個結論：
1、反激電源在上電時最容易燒壞MOS，因為上電初期，要給后級負載充電，此時初級繞組中的電流比較大，漏感感應電動勢較大。上電初期VDS會從小達到最大時值，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，VDS的電壓會大大降低。
2、RCD吸收電路在上電啟動期間，并不是每個周期吸收一樣的能量，但是會消耗同樣的能量，當電容C的電量快充滿時，吸收效果就并不明顯，而此時也會使VDS達到最大值。
3、RCD吸收電路的R越小，電容C上的電壓下降越快，但是R太小，會導致多余的能量消耗在電阻上，會影響效率。
4、RCD吸收電路的C越小，吸收效果很差，一下就將電容C充滿，VDS達到最大值變更快，MOSFET的漏極承受的電壓應力值更大，時間更長，更容易燒MOS管。
5、RCD的二極管反向恢復時間越快越好，能快速在尖峰電壓達到時，二極管從反偏到正偏，吸收尖峰能量，箝位電壓。
6、MOS管漏極承受的電壓應力在開機啟動時最大，需要注意VDS耐壓值和尖峰電壓之間的裕量，確保MOS管正常工作。
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