Làm thế nào để thiết kế mạch kẹp điện áp diode trong hệ thống cấp điện truyền thông?

1. Nguyên lý làm việc của mạch kẹp điện áp diode
(1) Nguyên tắc cơ bản
Mạch kẹp điện áp diode chủ yếu bao gồm một hoặc nhiều điốt, sử dụng tính dẫn điện một chiều của điốt để đạt được chức năng kẹp điện áp. Khi điện áp trong mạch vượt quá điện áp dẫn của diode thì diode dẫn điện, kẹp điện áp gần điện áp dẫn của diode; Khi điện áp thấp hơn điện áp dẫn của diode, diode sẽ cắt và không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của mạch.
(2) Đặc tính làm việc của các loại điốt
Diode thông thường: có điện áp dẫn cố định, thường khoảng 0,6-0,7V (ống silicon) hoặc 0,2-0,3V (ống germanium). Tốc độ dẫn của nó nhanh, nhưng độ chính xác điện áp kẹp tương đối thấp.
Diode Zener: Nó có thể duy trì điện áp đánh thủng ngược ổn định trong một phạm vi dòng điện nhất định ở trạng thái đánh thủng ngược. Bằng cách chọn điện áp đánh thủng thích hợp của diode ổn áp, điện áp có thể được kẹp chính xác ở giá trị mong muốn.
Diode Schottky: Có điện áp dẫn chuyển tiếp thấp (thường là 0,2-0,4V) và tốc độ chuyển mạch nhanh, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu điện áp kẹp cao và tốc độ đáp ứng.
2. Điểm thiết kế mạch kẹp điện áp diode
(1) Lựa chọn điốt
Chọn theo yêu cầu điện áp kẹp: Nếu cần điện áp kẹp chính xác thì nên chọn diode ổn áp và điện áp đánh thủng của nó phải được xác định theo yêu cầu của hệ thống. Nếu yêu cầu về độ chính xác của điện áp kẹp không cao thì điốt thông thường hoặc điốt Schottky cũng có thể đáp ứng được nhu cầu.
Xét khả năng mang dòng: Một diode sẽ chạy qua một lượng dòng điện nhất định khi dẫn điện, vì vậy cần chọn một diode có khả năng mang dòng vừa đủ để đảm bảo diode không bị hỏng do quá nhiệt khi xảy ra quá điện áp.
Chú ý đến thời gian phục hồi ngược: Thời gian phục hồi ngược đề cập đến thời gian cần thiết để một diode chuyển từ trạng thái tiến hành thuận sang trạng thái cắt ngược. Trong các hệ thống nguồn truyền thông tần số cao, nên chọn điốt có thời gian phục hồi ngược ngắn để giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu điện từ.
(2) Lựa chọn cấu trúc cấu trúc liên kết mạch
Kẹp diode đơn: thích hợp trong trường hợp điện áp kẹp không cao và biên độ quá điện áp nhỏ. Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng độ chính xác kẹp bị hạn chế.
Kẹp diode đôi: bao gồm hai điốt nối tiếp ngược nhau, nó có thể cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của điện áp kẹp. Khi một diode bị hỏng, diode còn lại vẫn có thể đóng vai trò kẹp nhất định.
Mạch kẹp đa cấp: Bằng cách xếp tầng nhiều điốt, nó có thể đạt được khả năng kẹp phân loại ở các biên độ quá điện áp khác nhau, cải thiện khả năng chịu quá điện áp của mạch.
(3) Tính toán thông số
Tính toán điện áp kẹp: Đối với mạch kẹp diode ổn áp, điện áp kẹp bằng điện áp đánh thủng của diode ổn áp. Đối với mạch kẹp diode thông thường hoặc diode Schottky, điện áp kẹp xấp xỉ điện áp dẫn thuận của diode cộng với các điện áp rơi khác trong mạch.
Tính toán dòng điện: Tính toán dòng điện chạy qua một diode khi nó dẫn điện dựa trên biên độ và thời gian quá điện áp. Đồng thời, cần xem xét dòng tải trong mạch để đảm bảo dòng tổng của diode không vượt quá dòng định mức của nó.
Tính toán công suất: Tính tổn thất điện năng của diode dựa trên dòng điện dẫn và điện áp kẹp của nó. Chọn điốt có đủ công suất để đảm bảo chúng không bị hỏng do quá nhiệt trong quá trình-hoạt động lâu dài.
3. Các vấn đề và giải pháp có thể gặp phải trong quá trình thiết kế
(1) Điện áp kẹp không ổn định
Nguyên nhân của sự cố: Có thể do sự biến thiên thông số lớn của diode, thay đổi nhiệt độ hoặc thay đổi thông số của các thành phần khác trong mạch.
Giải pháp: Áp dụng mạch bù nhiệt độ để giảm tác động của nhiệt độ lên điện áp kẹp; Chọn điốt có thông số nhất quán tốt; Thêm mạch điều khiển phản hồi trong mạch để theo dõi và điều chỉnh điện áp kẹp trong thời gian thực.
(2) Diode quá nóng và hư hỏng
Nguyên nhân: Nguyên nhân thường là do dòng điện hoặc công suất của diode vượt quá giá trị định mức hoặc khả năng tản nhiệt kém.
Giải pháp: Lựa chọn hợp lý model và thông số kỹ thuật của diode để đảm bảo dòng điện và công suất đáp ứng yêu cầu; Tối ưu hóa thiết kế mạch để giảm dòng điện đi-ốt và tổn thất điện năng; Bổ sung thêm các thiết bị tản nhiệt như tản nhiệt, quạt,… để nâng cao khả năng tản nhiệt của diode.
(3) Vấn đề nhiễu điện từ
Lý do vấn đề: Điốt tạo ra sự thay đổi dòng điện nhanh chóng trong thời điểm dẫn điện và cắt, dẫn đến nhiễu điện từ.
Giải pháp: Nối các tụ điện hoặc cuộn cảm song song trên diode để tạo thành mạch lọc triệt tiêu nhiễu điện từ; Áp dụng các biện pháp che chắn để che chắn diode và mạch kẹp, giảm bức xạ điện từ.
4. Ví dụ thiết kế
Lấy bộ chuyển đổi DC{0}}DC trong hệ thống nguồn truyền thông làm ví dụ, hãy thiết kế mạch kẹp điện áp đi-ốt để bảo vệ các thành phần nhạy cảm ở đầu ra của nó. Giả sử điện áp đầu ra là 5V thì cần phải kẹp quá điện áp dưới 6V.
Lựa chọn điốt: Chọn điốt ổn áp có điện áp đánh thủng là 6V, dòng điện định mức là 1A và công suất là 1W.
Cấu trúc liên kết mạch: Sử dụng mạch kẹp diode điều chỉnh điện áp duy nhất, diode điều chỉnh điện áp được kết nối song song ngược giữa cực đầu ra và mặt đất.
Xác minh tham số: Thông qua xác minh mô phỏng và thử nghiệm, diode ổn áp có thể hoạt động bình thường trong điều kiện quá điện áp, kẹp điện áp đầu ra dưới 6V và đảm bảo rằng dòng điện và tổn thất điện năng của diode ổn áp nằm trong phạm vi định mức.

https://www.trrsemicon.com/diode/dip-diode/mbr20200cft-to-220f.html