钳位电路
有源钳位吸收电路
有源钳位吸收电路
有源钳位吸收电路是一种被广泛应用于电子电路中的电路。
其主要作用是消除电路中的干扰信号，并保护电子元件不受到损坏。
有源钳位吸收电路包括两个主要部分：一个运放和两个二极管。
当干扰信号进入电路时，它会被输入端的二极管截断，同时通过电容器将信号传递到有源钳位。
有源钳位是一个包含运放和反馈电路的电路，它会通过反馈电路将干扰信号反馈到输入端的另一个二极管，从而将干扰信号完全消除。
有源钳位吸收电路的设计需要考虑到电路中的工作频率以及干扰信号的幅度和频率等因素。
有源钳位吸收电路在电子电路中具有广泛的应用，特别是在高频电路中。
它可以有效地消除各种干扰信号，提高电路的稳定性和可靠性。
此外，它还可以用于信号放大、滤波和调节等方面。
总之，有源钳位吸收电路是一种重要的电子电路，它可以消除干扰信号，保护电子元件，提高电路的稳定性和可靠性。
在实际应用中，需要根据具体情况进行设计和调试，以确保其正常工作。
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《有源钳位电路》课件
动态性能分析
总结词
动态性能是指有源钳位电路在输入信 号发生变化时的响应速度和稳定性。
详细描述
动态性能分析主要关注电路的上升时 间、下降时间、延迟时间等参数。这 些参数决定了电路在信号处理中的实 时性能，对于高速信号处理和实时控 制系统具有重要意义。
可靠性分析
总结词
可靠性是有源钳位电路在实际应用中稳定性和可靠性的重要保障，它涉及到电路的寿命 、故障率等因素。
电路调试与测试的方法
静态调试
电磁兼容性测试
检查电路板的接线是否正确，各元件 的参数是否符合设计要求。通过测量 各点的电压和电流，判断电路是否正 常工作。
检查电路是否符合电磁兼容性标准， 如辐射骚扰、传导骚扰等。使用专业 的测试设备进行电磁兼容性测试。
动态测试
在给定的输入信号下，观察电路的输 出信号是否符合预期。使用示波器、 信号发生器和测量仪表等工具进行测 试。
在电力系统中的应用
总结词
有源钳位电路在电力系统中起到稳定电压、 提高供电质动会对用电设备造成影响 ，有源钳位电路能够实时监测电压值，当电 压出现波动时，迅速进行调节，保持电压稳 定，从而提高供电质量，保护用电设备。
有源钳位电路的发展趋势与
06
展望
新材料、新工艺的应用
详细描述
全波有源钳位电路主要由整流器、滤波器、电容器、开关管 和变压器组成。通过变压器的作用，全波有源钳位电路能够 将输入电压进行升压或降压，从而更好地利用输入电压，提 高电源效率。
多相有源钳位电路
总结词
多相有源钳位电路是一种具有多个相位的有源钳位电路，主要用于实现多相整流和多相电机驱动等应 用。
在新能源领域的应用前景
光伏逆变器
有源钳位电路在光伏逆变器中具有重要作用 ，可提高逆变效率，降低成本。
电压钳位原理
电压钳位原理
在芯片的输入输出接口上，有一个特殊的电压钳位电路，这个电路能使芯片不受其他元件工作状态的影响，能保护芯片不受某一种电路的影响。
芯片在正常工作时，输入端和输出端上都有电源电压，而在芯片工作电压发生变化时，这两个端上的电压也会发生变化，其中一个端上的电压变高，另一个端上的电压变低。
由于电压钳位电路将两个端上的电压进行了调整，使其保持稳定不变。
芯片在输入或输出端口受到外部干扰时，在电源和地之间会出现电压差，它的大小与干扰源的大小成正比。
如果电源和地之间有干扰信号，那么信号线与地之间就会存在一个压差。
当这个压差大于芯片所允许的压差时，芯片将处于保护状态。
芯片在正常工作时，这两个电压差很小或没有压差，一旦芯片进入保护状态，两个电压差就会增大到不能接受的程度。
当输入端和输出端上均有输入或输出信号时，干扰信号将从电源和地之间的压差中扣除。
在正常工作时，当电源和地之间没有干扰信号时，两个电压差就等于正常工作时的压差。
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钳位电压电路
钳位电压电路
钳位电压电路，也被称为钳位电路（clamping circuit），是一种特殊的电路，其主要作用是将脉冲信号的某一部分固定在指定的电压值上，同时保持原波形形状不变。
这种电路通常用于各种显示设备中，如示波器和雷达显示器，用以使扫描信号的直流分量得到恢复，从而解决由于扫描速度改变所引起的屏幕上图像位置移动的问题。
在电视系统中，钳位电路也被用来使全电视信号的同步脉冲顶端保持在固定的电压上，以克服由于失去直流分量或干扰等原因造成的电平波动，从而实现电视同步信号的分离。
钳位电路通常包含二极管、电阻和电容等元件。
其中，二极管是钳位电路中的关键元件，其正向导通压降相对稳定且数值较小（有时可近似为零）的特点被用来限制电路中某点的电位。
当二极管负极接地时，若正极端电路的电位比地高，二极管会导通并将其电位拉下来，使正极端电路被钳位在零电位或零电位以下。
这种钳位作用可以通过调整电路中的电阻和电容值来实现对电压的精确控制。
此外，钳位电路还可以分为正钳位电路和反激式开关电源的RCD钳位电路等多种类型。
正钳位电路主要用于限制电压的上升幅度，而反激式开关电源的RCD钳位电路则主要用于吸收变压器漏感引起的尖峰电压。
请注意，钳位电路的具体设计和应用需要根据具体的电子设备和应用场景来确定。
在实际应用中，需要根据电路的工作原理和元件的特性进行合理的设计和选择，以确保电路的稳定性和可靠性。
芯片输入口的二极管钳位电路什么原理？
如下图 1 蓝色框内是二极管钳位电路的一般结构，多见于芯片输入端。
当然还有专门的开关二极管，如下图 2 红色框内所示。
本文主要针对此类型的二
极管电路做一些简单介绍。
图 1 mcu内部IO结构处的保护二极管
图 2 常见的几种开关二极管
电路作用：实现二极管对异常电压的钳位作用，保护后级输入。
实现原理：如下图 3 是用LTspice进行仿真的图形，D1，D2是肖特基二极管，其正向导通压降Vf在0.7V左右。
V1是电源，模拟单片机供电电源，V2是输入信号源。
当输入信号V2大于3.3+Vf时，肖特基二极管D1导通，此时OUT端电压被钳位在3.3+Vf，因此在4V左右；当输入信号V2小于Vf时，肖特基二极管D2导通，此时OUT端电压被钳位在-Vf，因此在-0.7V左右。
图 3 LTspice仿真原理图
分别对如上两种方式仿真，结果如下图所示：，可以看到V2=5V时，OUT 端在3.95V左右，V2=-5V时，OUT端在690mV左右。
图 4 输入信号源V2=5V时的仿真结果
图 5 输入信号源V2=-5V时的仿真结果。
有源钳位正激电路工作原理
有源钳位正激电路工作原理
有源钳位正激电路是由两个二极管组成的，二极管的反向恢复时间与二极管的反向恢复时间相等，因此在反向恢复时间内，二极管承受反向电压，使二极管两端的电压很低。
当开关管处于开通状态时，电流从零开始上升，二极管承受很高的正向压降，它在开通阶段将会有很高的反向恢复电流。
如果二极管的导通时间较长时，就会出现反向饱和，而使电流在短时间内上升到很高的数值。
因此有源钳位正激电路中通常使用一个箝位二极管。
在这种电路中，由于两个二极管所承受的反向电压都是很高的，因此它们承受的峰值电压也是很高的。
在一个周期内，如果第一个二极管上流过很大的正向电流，而第二个二极管上流过较小的正向电流，则它们将会有一个峰值电压。
当它们同时达到这个峰值电压时，这两个二极管就会被击穿。
有源钳位正激电路中最常见的钳位二极管是CJ1 (或CJ2)和CJ3 (或CJ4)。
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《有源钳位电路》课件
故障排查与修复
通过实验结果分析，找出电路中可能存在的 问题，并进行修复和改进。
性能评估与优化
根据实验结果，对电路性能进行评估，针对 不足之处进行优化设计。
Part
04
有源钳位电路的改进与发展
新型元件与电路拓扑
新型元件
随着科技的进步，新型的电子元件不断涌现，如宽禁带半导体材料（如硅碳化物和氮化镓）制成的功 率器件，具有更高的开关速度和耐压能力，为有源钳位电路的性能提升提供了硬件基础。
电路拓扑
在有源钳位电路的拓扑结构方面，研究人员不断探索新的结构以优化性能。例如，采用多相交错并联 结构可以提高电路的电流处理能力和可靠性。
新型控制策略
预测控制
通过引入预测控制算法，对电路的未 来状态进行预测，提前调整控制参数 ，可以有效减小电压波动和提高稳定 性。
滑模控制
滑模控制策略能够快速响应系统参数 的变化，对非线性负载具有较好的适 应性，可以提高有源钳位电路对负载 变化的适应性。
性。
电路组成与元件
开关管
用于控制电源的通断，通常采用 高速、大功率的晶体管。
控制器
用于产生控制信号，控制开关管 的通断和占空比。
反向二极管
用于吸收开关管上的反向电压， 防止开关管过压损坏。
电阻和电容
用于控制电路的充放电时间和电 压幅度。
有源钳位电路的应用场景
开关电源
有源钳位电路广泛应用于各种类 型的开关电源中，如充电器、适 配器、LED驱动器等。
详细描述
有源钳位电路通过引入额外的控制电压源，将输出电压稳定在预设的钳位电压 值。这种特性使得有源钳位电路在电源管理、信号处理等领域具有广泛应用。
有源钳位正激电路的分析设计
有源钳位正激电路的分析设计一、有源钳位正激电路的基本原理有源钳位正激电路主要由放大器、反馈电阻和两个二极管组成。
其基本原理是通过两个二极管将输入信号限制在一个稳定的范围内，从而防止过大的信号损坏放大器。
这种电路设计的关键在于确定适当的电阻值和二极管的工作点。
二、电路参数的计算1.反馈电阻：反馈电阻的选择主要考虑稳定性和放大倍数。
一般而言，反馈电阻越大，稳定性越好，但放大倍数也会相应下降。
可以通过实际的电路要求和实验数据来确定反馈电阻的大小。
2.二极管的工作点：二极管的工作点是指二极管的电压和电流处于稳定的状态。
通过适当选择电阻和电源电压，可以使得二极管的工作点处于合适的范围内，保证电路正常工作。
3.放大器的参数：放大器的参数可以根据实际需求进行选择，包括放大倍数、频率响应等。
这些参数的选择需要根据具体应用场景进行设计。
三、电路设计步骤1.确定电路要求：明确电路的输入和输出要求，包括输入信号幅度、频率等。
2.选择放大器：根据电路要求选择合适的放大器，考虑放大倍数、频率响应等参数。
3.确定反馈电阻：根据实验数据和实际要求确定合适的反馈电阻值，注意稳定性和放大倍数之间的平衡。
4.计算二极管的工作点：根据二极管的参数和电路要求计算合适的电阻和电源电压，使得二极管工作点处于合适的范围内。
5.组装和调试电路：根据设计结果进行电路组装，并进行实际测试和调试。
根据测试结果进行必要的调整和优化。
四、电路设计实例例如，设计一个有源钳位正激电路，要求输入信号幅度为±5V，放大倍数为10倍，频率响应为10Hz~10kHz。
1.根据放大倍数的要求，选择放大器的参数。
可以选择带宽为100kHz的运放作为放大器。
2.根据反馈电阻的要求，假设我们选择反馈电阻为1kΩ，根据反馈电阻的公式计算得到反馈电流为10mA。
3.选择合适的二极管，例如硅二极管，根据二极管的伏安特性曲线和电路要求计算合适的电阻和电源电压。
假设选择电阻为10kΩ，电源电压为15V。
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这里介绍了设计RCD钳位时需要遵循的步骤摘要。完整的细节内容，请参阅《确定钳位大小的设计指南》。下面所提到的所有值，均非由用户测量或定义，可在PI Expert的设计结果选项卡中找到。
1．测量变压器的初级漏感LL。
2．检查您的设计的开关频率fs。
3．确定正确的初级电流IP，方法如下：如果设计采用功率限制设定，则IP=ILIMITEXT；如果设计采用外部流限设定，则IP=ILIMITEXT；对于所有其他设计，IP=IILIMITMAX。
图3：RCD钳位电路的初级侧钳位
Vc=钳位电压
此时，阻断二极管导通，漏感能量被转移到钳位电容(图4a)。经由电容吸收的充电电流将漏极节点峰值电压钳位到VIN(MAX)+VC(MAX)。漏感能量完全转移后，阻断二极管关断，钳位电容放电到钳位电阻，直到下一个周期开始(图4b)。通常会添加一个小电阻与阻断二极管串联，以衰减在充电周期结束时变压器电感和钳位电容之间产生的任何振荡。这一完整周期会在钳位电路中造成电压纹波(称为VDELTA)，纹波幅度通过调节并联电容和电阻的大小来控制(图5)。
图4：RCD钳位的工作原理
钳位电阻消耗漏感能量
RCDZ钳位与RCD钳位的工作原理相同，不同点在于它通过齐纳二极管与电阻串联来分担耗散(图2)。齐纳二极管可防止电容放电至齐纳二极管阻断电压以下，这样可限制功率耗散并提升效率，特别是在轻载时非常有用。ZD钳位对由齐纳二极管的阻断电压指定的MOSFET电压提供硬钳位。RCD+Z钳位与RCD钳位的工作方式相同，所添加的齐纳二极管对瞬态条件下的MOSFET电压提供硬钳位，并且前者在正常工作条件下的EMI生成特性，也与RCD钳位相同。
图5：RCD钳位电压的基准测量
钳位设计必须同时考虑变压器和MOSFET的特性。如果最低钳位电压低于变压器的VOR，钳位将充当一个负载，耗散的不仅仅是漏感能量。如果钳位元件过小，它们可能变得过热，无法预防危险的电压，并会产生不必要的EMI。最为重要的是，钳位必须对各种电源输入电压、负载电流和元件容差条件下的MOSFET提供保护。
其他钳位类型及其每个额外元件大小的确定步骤都是一样的。在选择二极管和齐纳稳压管时必须特别注意，以确保不会超过它们的功率额定值。在要求使用齐纳稳压功能的大部分设计中，应使用瞬态电压抑制器来提供所需的瞬时峰值额定功率。
应在电源满载及最低输入电压条件下测量元件体的温度，检验其功率额定值是否正确。如有元件的工作温度超出制造商的建议温度限值，应重新调整其大小，并根据原型结果仔细*估设计。
15．阻断二极管的峰值反向电压应大于1.5*Vmaxclamp。
16．阻断二极管的正向反复峰值电流额定值应大于IP；如果数据手册中未提供该参数，则平均正向电流额定值应大于：0.5*IP。
17．根据以下公式确定阻尼电阻的大小(如使用)。
18．阻尼电阻的功率额定值应大于
完成初始设计后，应制作一个原型来检验电源性能，因为变压器漏感会因绕组技术的不同而有极大差异。特别是，应当测量平均电压Vclamp，并将之与步骤7中的计算结果进行比较(图5)。如有任何差异，可通过调整Rclamp值来纠正。如果测试结果与预期相差悬殊，则必须重新进行设计。
反激式电源中MOSFET的钳位电路
输出功率100W以下的AC/DC电源通常都采用反激式拓扑结构。这种电源成本较低，使用一个控制器就能提供多路输出跟踪，因此受到设计师们的青睐，且已成为元件数少的AC/DC转换器的标准设计结构。不过，反激式电源的一个缺点是会对初级开关元件产生高应力。
反激式拓扑结构的工作原理，是在电源导通期间将能量储存在变压器中，在关断期间再将这些能量传递到输出。反激式变压器由一个磁芯上的两个或多个耦合绕组构成，激磁能量在被传递到次级之前，一直储存在磁芯的串联气隙间。实际上，绕组之间的耦合从不会达到完美匹配，并且不是所有的能量都通过该气隙进行传递。少量的能源储存在绕组内和绕组之间，这部分能量被称为变压器漏感。开关断开后，漏感能量不会传递到次级，而是在变压器初级绕组和开关之间产生高压尖峰。此外，还会在断开的开关和初级绕组的等效电容与变压器的漏感之间，产生高频振铃(图1)。
4．确定初级MOSFET所允许的总电压，并根据以下公式计算Vmaxclamp。
建议至少应维持低于MOSFET的BVDSS 50V的电压裕量，并另外留出30V到50V的电压裕量，以满足瞬态电压要求。
5．确定钳位电路的电压纹波VDELTA。
6．根据以下公式计算钳位电路的最小电压。
7．根据以下公式计算钳位电路的平均电压Vclamp。
严格按照《确定钳位大小的设计指南》中的详细步骤进行计算，将会获得高度优化的高效钳位设计。请登录PI电源设计论坛与同行进行交流，您将会获得更多所需信息和问题答案。
PowerIntegrations公司发布的《确定钳位大小的设计指南》(PI-DG-101)，对反激式电源所用到的四种主要钳位电路分别提供了确定元件大小的详细步骤。该设计指南可与PI Expert设计软件配合使用。PI Expert是一款交互式程序，它可以根据设计师的电源规格自动确定关键元件(包括变压器规格)，从而完成一个有效的开关电源的设计。PI Expert可自动生成钳位设计，但其结果将比《确定钳位大小的设计指南》中的以下算法所生成的稍为保守些。
图1：漏感产生的漏极节点开关瞬态
如果该尖峰的峰值电压超过开关元件(通常为功率MOSFET)的击穿压，就会导致破坏性故障。此外，漏极节点的高幅振铃还会产生大量EMI。对于输出功率在约2W以上的电源来说，可以使用钳位电路来安全耗散漏感能量，达到控制MOSFET电压尖峰的目的。
钳位的工作原理
钳位电路用于将MOSFET上的最大电压控制到特定值，一旦MOSFET电压达到阈值，所有额外的漏感能量都会转移到钳位电路，或者先储存起来慢慢耗散，或者重新送回主电路。钳位的一个缺点是它会耗散功率并降低效率，因此，有许多不同类型的钳位电路可供选择(图2)。有多种钳位使用齐纳二极管来降低功耗，但它们会在齐纳二极管快速导通时增加EMI的产生量。RCD钳位能够很好地平衡效率、EMI产生量和成本，因此最为常用。
图2：不同类型的钳位电路
钳位
RCD钳位的工作原理为：MOSFET关断后，次级二极管立即保持反向偏置，励磁电流对漏极电容充电(图3a)。当初级绕组电压达到由变压器匝数所定义的反射输出电压(VOR)时，次级二极管关断，励磁能量传递到次级。漏感能量继续对变压器和漏极电容充电，直到初级绕组电压等于箝位电容电压(图3b)。
8．根据以下公式计算漏感中储存的能量。
9．根据以下公式估算钳位中的能量耗散Eclamp。
10．根据以下公式计算钳位电阻值。
11．钳位电阻的功率额定值应大于
12．根据以下公式计算钳位电容值。
13．钳位电容的电压额定值应大于1.5*Vmaxclamp。
14．应使用快速或超快恢复二极管，将其用作钳位电路中的阻断二极管。