วิธีการออกแบบวงจรแคลมป์แรงดันไฟฟ้าไดโอดในระบบจ่ายไฟสื่อสาร?

1. หลักการทำงานของวงจรแคลมป์แรงดันไฟฟ้าไดโอด
(1) หลักการพื้นฐาน
วงจรแคลมป์แรงดันไดโอดส่วนใหญ่ประกอบด้วยไดโอดตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ซึ่งใช้การนำไฟฟ้าทิศทางเดียวของไดโอดเพื่อให้ได้ฟังก์ชันแคลมป์แรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าในวงจรเกินแรงดันการนำไฟฟ้าของไดโอด ไดโอดจะดำเนินการโดยจับแรงดันไฟฟ้าไว้ใกล้กับแรงดันการนำไฟฟ้าของไดโอด เมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแรงดันการนำไฟฟ้าของไดโอด ไดโอดจะตัดการทำงานและไม่มีผลกระทบต่อการทำงานปกติของวงจร
(2) ลักษณะการทำงานของไดโอดประเภทต่างๆ
ไดโอดธรรมดา: มีแรงดันไฟฟ้าการนำไฟฟ้าคงที่ โดยปกติจะอยู่ที่ประมาณ 0.6-0.7V (หลอดซิลิกอน) หรือ 0.2-0.3V (หลอดเจอร์เมเนียม) ความเร็วการนำของมันเร็ว แต่ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้าในการหนีบค่อนข้างต่ำ
ซีเนอร์ไดโอด: สามารถรักษาแรงดันพังทลายแบบย้อนกลับให้คงที่ภายในช่วงกระแสที่แน่นอนในสถานะพังทลายแบบย้อนกลับ ด้วยการเลือกแรงดันพังทลายที่เหมาะสมของไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้า จึงสามารถจับยึดแรงดันไฟฟ้าตามค่าที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ
ไดโอดชอตกี: มีแรงดันการนำไฟฟ้าไปข้างหน้าต่ำ (ปกติ 0.2-0.4V) และความเร็วในการสวิตชิ่งที่รวดเร็ว เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงดันแคลมป์สูงและความเร็วในการตอบสนอง
2. จุดออกแบบวงจรแคลมป์แรงดันไดโอด
(1) การเลือกไดโอด
เลือกตามข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้าในการจับยึด: หากต้องการแรงดันไฟฟ้าในการจับยึดที่แม่นยำ ควรเลือกไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้า และควรกำหนดแรงดันไฟฟ้าพังตามข้อกำหนดของระบบ หากข้อกำหนดด้านความแม่นยำสำหรับแรงดันไฟฟ้าในการจับยึดไม่สูง ไดโอดธรรมดาหรือไดโอดชอตกีก็สามารถตอบสนองความต้องการได้เช่นกัน
พิจารณาความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้า: ไดโอดจะไหลด้วยกระแสจำนวนหนึ่งขณะดำเนินการ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกไดโอดที่มีความสามารถในการรองรับกระแสไฟเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าไดโอดจะไม่ได้รับความเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปในกรณีที่มีแรงดันไฟฟ้าเกิน
ให้ความสนใจกับเวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับ: เวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับหมายถึงเวลาที่ต้องใช้สำหรับไดโอดในการเปลี่ยนจากสถานะการนำไปข้างหน้าไปเป็นสถานะการตัดแบบย้อนกลับ ในระบบกำลังสื่อสารความถี่สูง- ควรเลือกไดโอดที่มีเวลาการกู้คืนย้อนกลับสั้น เพื่อลดการสูญเสียการสลับและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
(2) การเลือกโครงสร้างโทโพโลยีวงจร
แคลมป์ไดโอดเดี่ยว: เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่แรงดันแคลมป์ไม่สูงและแอมพลิจูดของแรงดันไฟเกินมีขนาดเล็ก โครงสร้างนั้นเรียบง่ายและมีต้นทุนต่ำ แต่ความแม่นยำในการจับยึดมีจำกัด
การหนีบไดโอดคู่: ประกอบด้วยไดโอดสองตัวที่เชื่อมต่อกันแบบย้อนกลับ ซึ่งสามารถปรับปรุงความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของแรงดันไฟฟ้าในการหนีบได้ เมื่อไดโอดตัวหนึ่งเสีย ไดโอดตัวอื่นยังคงสามารถมีบทบาทในการจับยึดได้
วงจรหนีบหลายระดับ: โดยการเรียงซ้อนไดโอดหลายตัว ทำให้สามารถจับยึดแอมพลิจูดแรงดันไฟเกินที่แตกต่างกันอย่างช้าๆ ช่วยเพิ่มความสามารถของวงจรในการทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกิน
(3) การคำนวณพารามิเตอร์
การคำนวณแรงดันแคลมป์: สำหรับวงจรแคลมป์ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าแคลมป์จะเท่ากับแรงดันพังทลายของไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้า สำหรับไดโอดธรรมดาหรือวงจรแคลมป์ไดโอดชอตกี แรงดันแคลมป์จะอยู่ที่ประมาณแรงดันการนำไปข้างหน้าของไดโอดบวกกับแรงดันตกอื่นๆ ในวงจร
การคำนวณกระแส: คำนวณกระแสที่ไหลผ่านไดโอดเมื่อมีการนำไฟฟ้าโดยพิจารณาจากแอมพลิจูดและระยะเวลาของแรงดันไฟฟ้าเกิน ในเวลาเดียวกันจำเป็นต้องพิจารณากระแสโหลดในวงจรเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสรวมของไดโอดไม่เกินกระแสที่กำหนด
การคำนวณกำลัง: คำนวณการสูญเสียกำลังของไดโอดโดยพิจารณาจากกระแสการนำไฟฟ้าและแรงดันแคลมป์ เลือกไดโอดที่มีความจุพลังงานเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่ได้รับความเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไประหว่าง-การทำงานในระยะยาว
3. ปัญหาและวิธีแก้ไขที่เป็นไปได้ระหว่างกระบวนการออกแบบ
(1) แรงดันไฟฟ้าของแคลมป์ไม่เสถียร
สาเหตุของปัญหา: อาจเกิดจากความแปรปรวนของพารามิเตอร์ขนาดใหญ่ของไดโอด การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ หรือการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของส่วนประกอบอื่นๆ ในวงจร
วิธีแก้ปัญหา: ใช้วงจรชดเชยอุณหภูมิเพื่อลดผลกระทบของอุณหภูมิต่อแรงดันแคลมป์ เลือกไดโอดที่มีความสม่ำเสมอของพารามิเตอร์ที่ดี เพิ่มวงจรควบคุมผลป้อนกลับในวงจรเพื่อตรวจสอบและปรับแรงดันไฟฟ้าของแคลมป์แบบเรียลไทม์-
(2) ไดโอดร้อนเกินไปและเสียหาย
สาเหตุของปัญหา: มักเกิดจากกระแสหรือกำลังของไดโอดเกินค่าที่กำหนด หรือการกระจายความร้อนไม่ดี
วิธีแก้ไข: เลือกรุ่นและข้อมูลจำเพาะของไดโอดอย่างสมเหตุสมผล เพื่อให้แน่ใจว่าความจุกระแสไฟและพลังงานตรงตามข้อกำหนด ปรับการออกแบบวงจรให้เหมาะสมเพื่อลดกระแสไดโอดและการสูญเสียพลังงาน เพิ่มอุปกรณ์กระจายความร้อน เช่น ตัวระบายความร้อน พัดลม ฯลฯ เพื่อปรับปรุงความสามารถในการกระจายความร้อนของไดโอด
(3) ปัญหาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
สาเหตุของปัญหา: ไดโอดสร้างการเปลี่ยนแปลงกระแสอย่างรวดเร็วระหว่างการนำไฟฟ้าและช่วงเวลาตัดกระแสไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
วิธีแก้ไข: เชื่อมต่อตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำแบบขนานทั่วไดโอดเพื่อสร้างวงจรกรองที่ยับยั้งการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ใช้มาตรการป้องกันเพื่อป้องกันไดโอดและวงจรแคลมป์ ช่วยลดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
4. ตัวอย่างการออกแบบ
ยกตัวอย่างตัวแปลง DC-DC ในระบบกำลังสื่อสาร โดยออกแบบวงจรแคลมป์แรงดันไฟฟ้าไดโอดเพื่อปกป้องส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนที่ปลายเอาต์พุต สมมติว่าแรงดันเอาต์พุตคือ 5V จะต้องแคลมป์แรงดันเกินให้ต่ำกว่า 6V
การเลือกไดโอด: เลือกไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มีแรงดันพังทลาย 6V, พิกัดกระแส 1A และความจุไฟฟ้า 1W
โครงสร้างวงจร: การใช้วงจรแคลมป์ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าตัวเดียว ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะเชื่อมต่อแบบขนานย้อนกลับระหว่างขั้วเอาต์พุตและกราวด์
การตรวจสอบพารามิเตอร์: ด้วยการจำลองและการตรวจสอบเชิงทดลอง ไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามารถทำงานได้ตามปกติภายใต้สภาวะแรงดันไฟฟ้าเกิน จับแรงดันเอาต์พุตให้ต่ำกว่า 6V และตรวจสอบให้แน่ใจว่ากระแสและการสูญเสียพลังงานของไดโอดควบคุมแรงดันไฟฟ้าอยู่ภายในช่วงที่กำหนด

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