工程師不可不知的開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（二）

　　1：常用的開(kāi)關(guān)電源的原理——單端自激boost升壓電路

　　如上圖，開(kāi)關(guān)電源利用電感電流不能瞬間改變的原理，用ctrl信號(hào)打開(kāi)三極管，使得Vin通過(guò)電感和三極管向地流動(dòng)。由于電感電流不能突變，因此，這個(gè)回路不能理解成短路，應(yīng)理解成給電感充能。充能是通過(guò)電感流過(guò)的電流不斷增大體現(xiàn)的，電流越大，電感的儲(chǔ)能越多。

　　當(dāng)電感電流增加到一定程度，用ctrl關(guān)閉三極管。則電感電流的回地的路就被切斷。同樣由于電感電流不能突變，因此，電流就會(huì)通過(guò)二極管流向電容。這樣就完成一次電感通過(guò)二極管給電容充電的過(guò)程。Ctrl信號(hào)周期性不停止的復(fù)現(xiàn)，宏觀上就形成從vin不斷流向電容的電流。這個(gè)過(guò)程與vout和vin電壓孰高孰低無(wú)關(guān)。意味著可升壓，也可降壓。

　　上面說(shuō)的切斷電感電流，迫使電流流向改變，一般叫做“反激”，上圖的電感只有一個(gè)，反激點(diǎn)只有一個(gè)，叫做單端。有的電路用2個(gè)電感，交替進(jìn)行電流流動(dòng)。做直流逆變交流時(shí)，一般用2個(gè)電感，形成推挽效果。

　　2：如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓

　　上圖是原理。由于vout的負(fù)載不確定，因此，vout不可能穩(wěn)定在我們期望的電壓上，可能是升壓，也可能是降壓。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是利用vout的電壓進(jìn)行反饋。當(dāng)vout電壓低于期望值時(shí)，反饋信號(hào)就會(huì)調(diào)整ctrl，使它打開(kāi)三極管的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。則電感充能更多，從而使vout上升。反過(guò)來(lái)也一樣。

　　這樣ctrl信號(hào)就有了個(gè)名字，叫pwm。一般是改變它的占空比。當(dāng)vout電壓不夠時(shí)，增加pwm信號(hào)占空比，使得更多的電能流向vout。

　　3：占空比

　　從原理容易理解，pwm信號(hào)不能達(dá)到100%占空比，那樣就真的短路了。當(dāng)pwm信號(hào)占空比大到一定程度時(shí)，也就是剛好有時(shí)間讓三極管能開(kāi)關(guān)時(shí)，電感的充能達(dá)到極大值。這個(gè)電能必須能滿足后續(xù)電路的消耗。這樣就能使vout穩(wěn)定在我們需要的電壓上。

　　4：實(shí)用電路

　　有許多成熟芯片提供Pwm信號(hào)的產(chǎn)生，并提供反饋電壓調(diào)整pwm的占空比，這類芯片叫開(kāi)關(guān)電源芯片，是專門用來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的。下圖附一個(gè)成熟電路，是筆者在工程中應(yīng)用的。

　　這個(gè)芯片把三極管集成到芯片內(nèi)部，因此應(yīng)用比較簡(jiǎn)單。因?yàn)樗芴峁┑碾娏骱苄?，是給lcd供電的。+12V后面還有一個(gè)10uF/25V的電容。

　　5：設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源要注意的幾個(gè)問(wèn)題

　　A：注意電感的選擇，應(yīng)參照芯片資料，切忌理解成輸出電流多大就用多大的電感，這是許多新手容易理解錯(cuò)的地方。例如，輸出電流是0.5A，電感可不要選0.5A的哦，要按資料來(lái)選，一般是1A左右。如果電感的電流參數(shù)選小了，會(huì)很熱。二極管也一樣，電流參數(shù)不能按最終輸出電流選。電感值的大小涉及到飽和電流的問(wèn)題，即電流大到一定程度后呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，電流則會(huì)瞬間增大，不再受電流不能突變的約束。因此選擇電感時(shí)，可以比資料的推薦值稍大一些。因?yàn)殡姼械恼`差比較大，市場(chǎng)常見(jiàn)的電感是±20%，所以寧大勿小的原則。買電感時(shí)要注意。

　　B：第1節(jié)的圖里的三極管，從原理易得：其導(dǎo)通電阻越小越好，開(kāi)關(guān)響應(yīng)越快越好。這2個(gè)因素是決定效率的最主要的2個(gè)方面。一般選擇mos管，要注意mos管的導(dǎo)通電阻和柵極寄生電容。芯片的輸出能否驅(qū)動(dòng)得了柵極，如果驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的能力不夠，應(yīng)使用LM5111等驅(qū)動(dòng)芯片。

　　C：開(kāi)關(guān)電源的噪聲比較大，尤其它是給后續(xù)電路提供電源的，這使得后續(xù)電路的電源從骨子里就帶噪聲。這種噪聲的消除，需要使用濾波電路，必要時(shí)用π型濾波。濾波要消耗電能，這與要達(dá)到的穩(wěn)壓效果成為一對(duì)矛盾，需要工程師權(quán)衡為達(dá)到某效果需要付出多大的濾波消耗。在開(kāi)關(guān)電源后面串聯(lián)線性電源(例如7805等)不能顯著消除噪聲。一味加大電容也不是辦法，噪聲仍然能夠通過(guò)。不要期望既不付出電能消耗，又能消除噪聲。但是串聯(lián)電感器件的濾波電路確實(shí)更加節(jié)省一些。

　　D：開(kāi)關(guān)電源兩端隔離的做法是用3個(gè)線圈共軛，一個(gè)用于自激充能，一個(gè)用于輸出，一個(gè)用于電壓反饋。值得一提的是，這種隔離不能消除開(kāi)關(guān)引起的各種噪聲。噪聲會(huì)沿著共軛電感傳遞，而且噪聲的損耗很小。由于電壓反饋?zhàn)兂煞侵苯拥姆答仯@種電源一般具有較大的誤差，但精度受影響很小，一般都帶輸出電壓調(diào)整。市場(chǎng)常見(jiàn)的模塊電源一般都帶電壓微調(diào)。

　　E：開(kāi)關(guān)電源的地的布線。為了減少噪聲，需給噪聲盡量短的回地路線。第1節(jié)的圖中用了2個(gè)地符號(hào)。這2個(gè)地最終要接在一起，需要注意的是，vout后端有個(gè)電容，在這個(gè)電容的負(fù)端把2個(gè)地接在一起。這樣，開(kāi)關(guān)芯片的噪聲能最大程度的消耗在自己那邊，能大大改善vout的噪聲。

　　F：設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，功率設(shè)計(jì)要至少保留1倍的余地，例如設(shè)計(jì)5V1A的開(kāi)關(guān)電源，最大功率輸出要能達(dá)到2A。不要按需求設(shè)計(jì)成1A的，那樣會(huì)使pwm占空比接近最大值，電感、mos管等都會(huì)發(fā)熱。一般掌握在穩(wěn)定輸出時(shí)，pwm在50%或稍小為宜。這樣整個(gè)電路工作在一個(gè)“比較舒服”的情況下，噪聲、發(fā)熱等各方面綜合性能都比較好。

　　G：開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)。從第1節(jié)的圖可以看出，當(dāng)某種原因造成ctrl電平為常高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電感和三極管燒毀。Ctrl常低還好些，但是vin會(huì)串到vout上，對(duì)后續(xù)電路造成欠壓供電。常用的保護(hù)是在vin前端串聯(lián)一個(gè)過(guò)流保護(hù)器件，它一般是熱保護(hù)，電流過(guò)大會(huì)斷開(kāi)。過(guò)一會(huì)兒又導(dǎo)通。

四、開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)方法解析

　　開(kāi)關(guān)電源已普遍運(yùn)用在當(dāng)前的各類電子設(shè)備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高達(dá)數(shù)百瓦每立方英寸.由于開(kāi)關(guān)電源中使用了大量的大功率半導(dǎo)體器件,如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管等器件。它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開(kāi)關(guān)電源.為提高開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性,熱設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　1.熱設(shè)計(jì)中常用的幾種方法

　　為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去,一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮: 使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬pcb、散熱膏等.在實(shí)際設(shè)計(jì)中要針對(duì)客戶的要求及最佳費(fèi)/效比合理地將上述幾種方法綜合運(yùn)用到電源的設(shè)計(jì)中。

　　2.半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)

　　由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開(kāi)關(guān)電源中占主導(dǎo)地位,其熱量主要來(lái)源于半導(dǎo)體器件的開(kāi)通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗.從電路拓?fù)浞绞缴蟻?lái)講,采用零開(kāi)關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過(guò)零時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷可最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗但也無(wú)法徹底消除開(kāi)關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.

　　2.1 散熱器的熱阻模型

　　由于散熱器是開(kāi)關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價(jià)格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來(lái)講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示

　　半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示：

　　pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a　(w)　-----------------------(1)

　　pcmax(tc)= (tjmax-tc)/θj-c　(w)　-----------------------(2)

　　pc: 功率管工作時(shí)損耗

　　pc(max): 功率管的額定最大損耗

　　tj: 功率管節(jié)溫

　　tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫

　　ta: 環(huán)境溫度

　　tc: 預(yù)定的工作環(huán)境溫度

　　θs : 絕緣墊熱阻抗

　　θc : 接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)

　　θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)

　　θi : 內(nèi)部熱阻抗(pn結(jié)接合部與外殼封裝)

　　θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

　　根據(jù)圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:

　　θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)

　　又因?yàn)?theta;b比θs +θc+θf大很多,故可近似為

　　θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)

　?、賞n結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗) θi是由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān).每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗.