開關(guān)電源知識(shí)了解

電源是一切電子設(shè)備的心臟，沒有電源，電子設(shè)備就不可能工作。雖然市面上有很多介紹開關(guān)電源的書籍，但仍然缺少快速入門及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)類的資料，所以，盡管資料豐富，但還是有很多人不知道怎樣利用。當(dāng)然這篇文檔只是入門介紹，深入研究還要看其他專著。

從電網(wǎng)得到的交流電或由電池取得的直流電是隨環(huán)境溫度、時(shí)間和負(fù)載所變化的，它們不能直接成為電子設(shè)備所需的內(nèi)部電源。電子設(shè)備由于要完成許多高級(jí)的功能，對(duì)其供電電源的精度隨環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，還有很多其他的指標(biāo)都有非常高的要求。將電網(wǎng)或電池的一次電能轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能，這樣的變換設(shè)備就是我們這里要講的電源。

隨著片狀電子元件、表面安裝技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越小型化、輕型化，如何縮小電源的體積減輕重量，提高電源的轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)性，是人們致力于研究的重點(diǎn)。

一個(gè)比較好的解決方案是：以輕巧的高頻變壓器取代笨重的工頻變壓器，采用脈沖調(diào)制技術(shù)的直流--直流變換器型穩(wěn)壓電源，即我們馬上就要講到的開關(guān)電源。

開關(guān)電源具有管耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，目前已在各種電子儀器和設(shè)備、航空和宇宙飛行器、發(fā)射機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備和電視機(jī)、錄放像機(jī)等中得到了廣泛應(yīng)用。

開關(guān)電源按變換方式可分為以下四大類：

1、AC/DC 開關(guān)電源

2、DC/DC 開關(guān)電源

3、DC/AC 逆變器

4、AC/AC 變頻器

目前只將前面兩類稱為開關(guān)電源，將后面兩類分別稱為逆變器和變頻器。

開關(guān)電源按應(yīng)用方式可分為以下三大類：

1、外置電源

與設(shè)備分開放置的電源模塊或電源系統(tǒng)，如：

通信用一次電源模塊和系統(tǒng)

電力操作電源模塊和系統(tǒng)

手機(jī)電池充電器

筆記本電腦的Adapter

各類手提設(shè)備、便攜設(shè)備的電池充電器等等

2、內(nèi)置電源

放在設(shè)備內(nèi)部的電源模塊或電源系統(tǒng)，如：

計(jì)算機(jī)內(nèi)部的SilverBox和VRM

家電(如：普通電視機(jī)、等離子電視機(jī)、液晶電視機(jī))內(nèi)部的供電電源

工業(yè)控制設(shè)備內(nèi)部的電源

儀器中使用的電源

通信設(shè)備內(nèi)部的電源模塊和系統(tǒng)

復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)等的內(nèi)部電源等等

3、板上電源

放在設(shè)備內(nèi)單板上的電源模塊，如：

標(biāo)準(zhǔn)磚類電源(全磚、半磚、1/4磚、1/8磚)

非隔離POL(Point of Load 負(fù)載點(diǎn))變換器

VRM(Voltage regulator module電壓調(diào)節(jié)模塊)和VRD(Voltage regulator down)

小功率SMD電源

SIP和DIP電源等等

開發(fā)一個(gè)開關(guān)電源產(chǎn)品所需要的基本技能：

1、認(rèn)識(shí)組成開關(guān)電源的所有元器件

2、掌握各種元器件的電氣性能和電路符號(hào)

3、會(huì)自己制作各種磁芯元件

4、會(huì)正確裝配電源中的各個(gè)部分

5、了解電源各項(xiàng)指標(biāo)的意義并掌握如何測(cè)試的方法

6、會(huì)使用儀器對(duì)裝配后的電源進(jìn)行正確的調(diào)試，優(yōu)化和折中

7、會(huì)對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并進(jìn)行總結(jié)

8、會(huì)從不同渠道不斷地學(xué)習(xí)電源知識(shí)并能夠和別人交流

開發(fā)一個(gè)開關(guān)電源產(chǎn)品所需要的專業(yè)理論知識(shí)：

1、有源PFC的拓?fù)浞治?，控制與設(shè)計(jì)

2、DC/DC功率變換器的拓?fù)渑c穩(wěn)態(tài)分析

3、開關(guān)電源的功率級(jí)參數(shù)設(shè)計(jì)

4、開關(guān)電源的控制與動(dòng)態(tài)分析

5、開關(guān)電源的小信號(hào)分析與設(shè)計(jì)

6、開關(guān)電源的大信號(hào)分析與設(shè)計(jì)

7、開關(guān)電源的EMI分析與設(shè)計(jì)

8、開關(guān)電源的熱分析與設(shè)計(jì)

9、開關(guān)電源的容差分析與設(shè)計(jì)

10、開關(guān)電源的各種保護(hù)技術(shù)

11、開關(guān)電源的同步整流技術(shù)

12、開關(guān)電源的模塊均流控制技術(shù)

有些技術(shù)很成熟了，只要查表或者使用現(xiàn)成電路或?qū)Ｓ眯酒涂梢宰龊谩MI比較困難，因?yàn)樵匦詴?huì)變化。

開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

開關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源中的核心部件，作用有三：磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。由于開關(guān)變壓器的工作頻率很高，因此它的體積和重量比工頻變壓器大為縮小，同時(shí)變壓器的分布參數(shù)亦不能忽略。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮磁芯材料選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞制工藝等。

開關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài)，分布參數(shù)有漏感、分布電容和電流趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，而趨膚效應(yīng)則作為選擇導(dǎo)線規(guī)格的條件之一。

開關(guān)電源變壓器的工作狀態(tài)與開關(guān)型功率變換器的電路形式有關(guān)，一般根據(jù)功率大小，使用要求，采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式，開關(guān)電源變壓器工作狀態(tài)也不同，對(duì)開關(guān)電源變壓器也提出了不同的設(shè)計(jì)要求。

變換器形式有：雙極性(推挽式、全橋式、半橋式)，單端正激式，單端反激式等。

開關(guān)電源變壓器中使用的是軟磁材料。比如：鐵氧體材料。鐵氧體材料很容易加工成各種形狀，可根據(jù)開關(guān)變壓器的電路類型、使用要求、功率等級(jí)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等選用合適的磁芯形狀。磁芯型號(hào)主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每種型號(hào)又有很多尺寸規(guī)格可以選擇。

開關(guān)電源變壓器參數(shù)計(jì)算：漏感計(jì)算、分布電容計(jì)算、穿透深度(導(dǎo)線選擇)、交流電阻計(jì)算、電流有效值。

開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)內(nèi)容：

1、磁芯規(guī)格

2、匝數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格

3、損耗與溫升

4、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)：多股線或扁平線

5、繞組結(jié)構(gòu)：多層或分段饒制

6、端空設(shè)計(jì)：按絕緣電位設(shè)計(jì)端空

設(shè)計(jì)條件：

1、電路形式：給出變換器的形式，輸入輸出電路及所用元器件

2、工作頻率或周期

3、變換器輸入最高、最低電壓

4、輸出電壓和電流

5、開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間

6、開關(guān)管導(dǎo)通電壓降及整流二極管正向電壓降

7、隔離電位

8、要求的漏感或分布電容

9、溫升要求

10、磁芯形狀

11、工作環(huán)境條件

設(shè)計(jì)參數(shù)的確定：

1、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J

磁感應(yīng)強(qiáng)度B、變壓器銅耗Pm、電流密度J

2、變壓器和線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)

銅線占空系數(shù)、平均匝長(zhǎng)、變壓器表面積、磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)

鐵氧體材料的開關(guān)電源變壓器采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)查表的方法簡(jiǎn)化工作量。

包含了如下信息：

變換器類型

工作頻率

變壓器溫升

磁芯規(guī)格

技術(shù)指標(biāo)

直流功率、增量磁感、剩余磁感、電流密度、電壓調(diào)整率、電感系數(shù)

損耗指標(biāo)

磁芯損耗、線圈銅耗、散熱面積、單位損耗、效率

結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)常數(shù)、平均匝長(zhǎng)、等效截面、磁路長(zhǎng)度、氣隙厚度、磁芯體積

線圈參數(shù)

初級(jí)每匝伏數(shù)、次級(jí)每匝伏數(shù)、繞線寬度、繞線厚度、占空系數(shù)

開關(guān)電源設(shè)計(jì)優(yōu)化

當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)完成一個(gè)開關(guān)電源以后，只是大致實(shí)現(xiàn)了其功能和指標(biāo)，還需要進(jìn)行各種優(yōu)化。

1、功率級(jí)參數(shù)的優(yōu)化

在選定功率級(jí)拓?fù)浜螅衫们懊娴闹R(shí)和穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)選擇對(duì)功率參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得：

開關(guān)功率器件的損耗最小

功率變壓器和濾波器電感，濾波電容等的體積最小

電源整機(jī)的功率密度最高

功率級(jí)的Layout最合理等等

在這些優(yōu)化中，最重要的是功率變壓器的優(yōu)化，其變比，其繞法都會(huì)直接影響其他功率元器件的選擇和整個(gè)功率級(jí)的效率及功率密度。合理地選擇功率開關(guān)器件和它們的驅(qū)動(dòng)電路及吸收電路，對(duì)功率級(jí)的性能也很重要。

2、環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化

在選定功率級(jí)拓?fù)浜涂刂撇呗院螅衫们懊娴闹R(shí)在功率級(jí)參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得：

盡量減小閉環(huán)電壓音頻隔離度，從而減小PFC濾波電容

盡量減小閉環(huán)輸出阻抗，從而減小DC輸出濾波電容

在環(huán)路優(yōu)化中，最重要的是補(bǔ)償器參數(shù)，調(diào)制器參數(shù)(如外部斜波補(bǔ)償含量)和光耦電路參數(shù)的優(yōu)化。其中，電源整機(jī)的PCB Layout對(duì)環(huán)路的影響非常大，只有在好的PCB Layout下面，通過(guò)環(huán)路各部分參數(shù)的優(yōu)化，才能使電源環(huán)增益的帶寬盡可能大，從而實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)性能和更高的功率密度。

3、輔助電源參數(shù)的優(yōu)化

在采用繞組供電的開關(guān)電源產(chǎn)品中，必須對(duì)輔助電源的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，使得：

輔助電源對(duì)開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)性能的影響最小

輔助電源對(duì)開關(guān)電源動(dòng)態(tài)性能的影響最小

輔助電源不會(huì)影響開關(guān)電源整機(jī)的可靠性

采用變壓器繞組或電感繞組的輔助電源，其輸出電壓的質(zhì)量一般不太好，通過(guò)對(duì)輔助電源的優(yōu)化，要保證自供電后的電源整機(jī)性能變化最小，可靠性沒有問(wèn)題。

4、其他優(yōu)化

電源內(nèi)各種保護(hù)電路的優(yōu)化

EMI濾波器電路的優(yōu)化

電源內(nèi)部熱環(huán)境的優(yōu)化

電源其他功能電路(如：均流、同步、熱插拔、遠(yuǎn)端補(bǔ)償?shù)鹊?的優(yōu)化

PCB Layout的優(yōu)化等等

開關(guān)電源設(shè)計(jì)折中

設(shè)計(jì)開關(guān)電源是個(gè)充滿矛盾的過(guò)程，魚和熊掌不可得兼，需要平衡折中各種指標(biāo)，這個(gè)火候的掌握和拿捏需要大量經(jīng)驗(yàn)。前面談了優(yōu)化，現(xiàn)在談?wù)壑?，有時(shí)反而需要減少優(yōu)化程度，真是奇妙啊!

1、穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能的折中

很多功率級(jí)拓?fù)?，其穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能通常難以兼顧，穩(wěn)態(tài)性能好，動(dòng)態(tài)性能就差，動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)性能就差。這種例子非常多，所以選擇拓?fù)鋾r(shí)，一定要根據(jù)要求和應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)合理選擇。

即使同一個(gè)拓?fù)?，其功率?jí)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的折中。如：輸出濾波器電感的設(shè)計(jì)，對(duì)效率而言，希望其越大越好，但對(duì)動(dòng)態(tài)性能而言，則希望其小一點(diǎn)好，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要折中。

2、功率密度與可靠性的折中

很多有更高功率密度的拓?fù)?，其?shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)比較復(fù)雜，而且往往拓?fù)浔旧磉€有可靠性較低的隱患，所以，選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)也要根據(jù)可靠性和性能來(lái)進(jìn)行具體折中。如一些實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的拓?fù)洌话憧蓪?shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，具有更高的功率密度，但他們?cè)趯?shí)現(xiàn)的產(chǎn)品中，可靠性往往較低。

3、小信號(hào)性能與大信號(hào)性能的折中

在一個(gè)電源中，有很多性能需要滿足，利用不同的控制策略，不同的補(bǔ)償電路會(huì)得到不同的動(dòng)態(tài)性能。有些控制策略或參數(shù)對(duì)輸入端的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力，有些則對(duì)負(fù)載端的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力，有的參數(shù)對(duì)小信號(hào)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性很好，但在大信號(hào)下，其可能不穩(wěn)定，有的參數(shù)能滿足大信號(hào)的要求，但小信號(hào)下其會(huì)變差，因此，要對(duì)大小信號(hào)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行折中。

4、高低溫下的設(shè)計(jì)折中

在一個(gè)電源中，因各種參數(shù)都是與其工作時(shí)的溫度有關(guān)，所以必須找出一組參數(shù)能在全部環(huán)境溫度范圍內(nèi)滿足所有性能指標(biāo)，這需要做很多折中。

5、電性能與熱性能之間的折中

在一個(gè)電源中，電性能(如電應(yīng)力和EMI性能)與熱性能之間的要求是矛盾的。為了獲得好的EMI和低的電應(yīng)力，希望功率元器件的回路盡量小，但這會(huì)使得各元器件之間的熱影響更厲害，各元器件的損耗會(huì)更大。將各功率元器件之間的回路加大，可減小這種熱影響，改善熱設(shè)計(jì)，但因寄生參數(shù)的增加，會(huì)使器件的電應(yīng)力增加，效率變低，EMI性能變壞，所以，電源中熱與電兩個(gè)設(shè)計(jì)是非常需要折中的。

6、關(guān)鍵部件的折中

在開關(guān)電源中，有一些關(guān)鍵部件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要折中。如：功率變壓器的設(shè)計(jì)，對(duì)穩(wěn)態(tài)效率性能而言，在變比等已經(jīng)最優(yōu)化后，希望其漏感最小，但在實(shí)現(xiàn)漏感最小的同時(shí)，往往會(huì)增加繞組之間的分布電容，這通常會(huì)增加共模EMI干擾和降低安全性。

另外，如驅(qū)動(dòng)能力的折中。為了減小功率開關(guān)器件(MOSFET)的開關(guān)損耗，希望其開關(guān)過(guò)程盡量短，這可通過(guò)減小門級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在開關(guān)速度提高的同時(shí)，往往會(huì)增加電源的共模EMI，使得EMI特性變差。

7、其他折中

做好一個(gè)開關(guān)電源，還有很多其他折中要做，總之，因?yàn)殚_關(guān)電源是一個(gè)在一定邊界(由輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度組成的長(zhǎng)方體)之內(nèi)，滿足規(guī)格書要求的功率電子產(chǎn)品，既有功率處理和信息處理，又有熱處理，所以，為了做好這樣的產(chǎn)品，必須要做很多很多的折中。這要求開發(fā)人員了解如何在折中的基礎(chǔ)上優(yōu)化，在優(yōu)化的基礎(chǔ)上折中，使開發(fā)的電源產(chǎn)品達(dá)到最佳的性價(jià)比。