從理論到實踐 解析如何合理設計開關電源

開關電源已經(jīng)成為了我們電路設計當中的主角，甚至可以說已經(jīng)成為了與行業(yè)發(fā)展密不可分的一部分。與傳統(tǒng)線性電源相比，在某一輸出功率點上線性電源的成本要高于開關電源，常見的開關電源可以分為兩種，隔離與非隔離。

　　在本篇文章當中，我們將主要對隔離式開關電源的拓撲形式進行探討。所以在下面的文章當中，如果沒有任何特殊的說明，文中提及的電源將均指隔離電源。隔離電源按照結構形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時，副邊導通，能量釋放到負載的工作狀態(tài)，一般常規(guī)反激式電源單管多，雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載，能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激，包括單管正激，雙管正激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。

　　正激和反激電路各有其特點，在設計電路的過程中為達到最優(yōu)性價比，可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。

　　反激式電源因其結構簡單，省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦，輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢，實現(xiàn)起來有難度。本人認為一般情況下是這樣的，但也不能一概而論，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章介紹反激電源可做到上千瓦，但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關。

　　反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲存能量，要使變壓器鐵芯得到充分利用，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于鐵芯進入飽和非線形狀態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產(chǎn)生漏磁遠大于完全閉合磁路。

　　脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關管返回電容負。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接近開關電源輸入端，輸入線應避免與其他電路平行，應避開。Y電容應放置在機殼接地端子或FG連接端。共摸電感應與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。

　　輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標，兩只小容量電容并聯(lián)效果應優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解電容保持一定距離，以延長整機壽命，電解電容是開關電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進風口。

　　PCB布線的一些原則印制板設計時，要考慮到干擾對系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴格分開，對核心電路重點防護，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設計隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分(如時鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(如模擬采樣電路等)，對這兩種類型的電路分別采取措施。對于干擾元件采取抑制措施，對敏感元件采取隔離和保護措施，并且將它們在空間和電氣上拉開距離。在板級設計時，還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿，這對防護空氣放電是有利的。

　　隨著印制線路板制造工藝的不斷完善和提高，一般加工廠制造出線間距等于甚至小于0.1mm已經(jīng)不存在什么問題，完全能夠滿足大多數(shù)應用場合?？紤]到開關電源所采用的元器件及生產(chǎn)工藝，一般雙面板最小線間距設為0.3mm，單面板最小線間距設為0.5mm，焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔，最小間距設為 0.5mm，可避免在焊接操作過程中出現(xiàn)“橋接”現(xiàn)象。，這樣大多數(shù)制板廠都能夠很輕松滿足生產(chǎn)要求，并可以把成品率控制得非常高，亦可實現(xiàn)合理的布線密度及有一個較經(jīng)濟的成本?！　∽钚【€間距只適合信號控制電路和電壓低于63V的低壓電路，當線間電壓大于該值時一般可按照500V/1mm經(jīng)驗值取線間距。

　　方法一：上文提到的線路板開槽的方法適用于一些間距不夠的場合，順便提一下，該法也常用來作為保護放電間隙，常見于電視機顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模塊電源中得到了廣泛的應用，在灌封的條件下可獲得很好的效果。

　　方法二：墊絕緣紙，可采用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣材料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊在線路板于金屬機殼間，這種材料有機械強度高，有一定抗潮濕的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高溫的特性在模塊電源中得到廣泛的應用。在元件和周圍導體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。

　　最近幾年，隨著多層線路板在開關電源電路中應用，使得印制線路變壓器成為可能，由于多層板，層間距較小，也可以充分利用變壓器窗口截面，可在主線路板上再加一到兩片由多層板組成的印制線圈達到利用窗口，降低線路電流密度的目的，由于采用印制線圈，減少了人工干預，變壓器一致性好，平面結構，漏感低，偶合好。開啟式磁芯，良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢，有利于大批量生產(chǎn)，所以得到廣泛的應用。但研制開發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生產(chǎn)。

　　反激電源反射電壓還有一個確定因素軍用開關電源的反射電壓還與一個參數(shù)有關，那就是輸出電壓，輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大，變壓器漏感越大，開關管承受電壓越高，有可能擊穿開關管、吸收電路消耗功率越大，有可能使吸收回路功率器件永久失效。在設計低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理，其處理方法有幾個：

　　A、采用大一個功率等級的磁芯降低漏感，這樣可提高低壓反激電源的轉換效率，降低損耗，減小輸出紋波，提高多路輸出電源的交差調整率，一般常見于家電用開關電源，如光碟機、DVB機頂盒等。

　　B、如果條件不允許加大磁芯，只能降低反射電壓，減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但有可能使電源轉換效率降低，這兩者是一個矛盾，必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點，在變壓器替代實驗過程中，可以檢測變壓器原邊的反峰電壓，盡量降低反峰電壓脈沖的寬度，和幅度，可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時比較合適。

　　C、增強耦合，降低損耗，采用新的技術，和繞線工藝，變壓器為滿足安全規(guī)范會在原邊和副邊間采取絕緣措施，如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能，現(xiàn)實生產(chǎn)中可采用初級繞組包繞次級的繞法?；蛘叽渭売萌亟^緣線繞制，取消初次級間的絕緣物，可以增強耦合，甚至可采用寬銅皮繞制。

　　反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài)，所以磁路需要開氣隙，類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為：由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線)，在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B)，現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點在400mT以上，一般此值在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜，在同樣的磁感應強度下，可承受更大的磁化電流，則相當于磁心儲存更多的能量，此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路，反激電源磁芯開氣隙有兩個作用。

　　反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài)，不僅要通過磁耦合傳遞能量，還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心，氣隙太大可使漏感變大，磁滯損耗增加，鐵損、銅損增大，影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和，導致電源損壞?！　∷^反激電源的連續(xù)與斷續(xù)模式是指變壓器的工作狀態(tài)，在滿載狀態(tài)變壓器工作于能量完全傳遞，或不完全傳遞的工作模式。一般要根據(jù)工作環(huán)境進行設計，常規(guī)反激電源應該工作在連續(xù)模式，這樣開關管、線路的損耗都比較小，而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力，但是這也有一些例外。由于制造工藝特點，高反壓二極管，反向恢復時間長，速度低，在電流連續(xù)狀態(tài)，二極管是在有正向偏壓時恢復，反向恢復時的能量損耗非常大，不利于變換器性能的提高，輕則降低轉換效率，整流管嚴重發(fā)熱，重則甚至燒毀整流管。由于在斷續(xù)模式下，二極管是在零偏壓情況下反向偏置，損耗可以降到一個比較低的水平。

　　反激開關電源變壓器應工作在連續(xù)模式，那就要求比較大的繞組電感量，當然連續(xù)也是有一定程度的