開關電源的系統設計詳解

　　電壓反饋取樣，為避免大電流通過走線的影響，反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢，以提高整機負載效應指標。

　　走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通，不宜通過器件管腳焊盤實現，因為在插裝器件時有可能破壞這種連接關系，還有在每1A電流通過時，至少應有2個過孔，過孔孔徑原則要大于0.5mm，一般0.8mm可確保加工可靠性。

　　器件散熱，在一些小功率電源中，線路板走線也可兼散熱功能，其特點是走線盡量寬大，以增加散熱面積，并不涂阻焊劑，有條件可均勻放置過孔，增強導熱性能。

　　接著談談鋁基板在開關電源中的應用和多層印制板在開關電源電路中的應用。

　　鋁基板由其本身構造，具有以下特點：導熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。

　　鋁基板上一般都放置貼片器件，開關管，輸出整流管通過基板把熱量傳導出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結構，也可通過基板散熱，其溫升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放置控制電路，兩塊板之間通過物理連接合成一體。

　　由于鋁基板優(yōu)良的導熱性，在小量手工焊接時比較困難，焊料冷卻過快，容易出現問題現有一個簡單實用的方法，將一個燙衣服的普通電熨斗（最好有調溫功能），翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為宜，太高有可能時器件損壞，甚至鋁基板銅皮剝離，溫度太低焊接效果不好，要靈活掌握。

　　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，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。

　　開關電源分為，隔離與非隔離兩種形式，在這里主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式，在下文中，非特別說明，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，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)，在磁路中產生漏磁遠大于完全閉合磁路。

　　變壓器初次極間的偶合，也是確定漏感的關鍵因素，要盡量使初次極線圈靠近，可采用三明治繞法，但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯，可減小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。

　　關于反激電源的占空比，原則上反激電源的最大占空比應該小于0.5，否則環(huán)路不容易補償，有可能不穩(wěn)定，但有一些例外，如美國PI公司推出的 TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的條件下。占空比由變壓器原副邊匝數比確定，本人對做反激的看法是，先確定反射電壓（輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值），在一定電壓范圍內反射電壓提高則工作占空比增大，開關管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小，開關管損耗增大。當然這也是有前提條件，當占空比增大，則意味著輸出二極管導通時間縮短，為保持輸出穩(wěn)定，更多的時候將由輸出電容放電電流來保證，輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷，而使其發(fā)熱加劇，這在許多條件下是不允許的。

　　占空比增大，改變變壓器匝數比，會使變壓器漏感加大，使其整體性能變，當漏感能量大到一定程度，可充分抵消掉開關管大占空帶來的低損耗，時就沒有再增大占空比的意義了，甚至可能會因為漏感反峰值電壓過高而擊穿開關管。由于漏感大，可能使輸出紋波，及其他一些電磁指標變差。當占空比小時，開關管通過電流有效值高，變壓器初級電流有效值大，降低變換器效率，但可改善輸出電容的工作條件，降低發(fā)熱。如何確定變壓器反射電壓（即占空比）

　　有網友提到開關電源的反饋環(huán)路的參數設置，工作狀態(tài)分析。由于在上學時高數學的比較差，《自動控制原理》差一點就補考了，對于這一門現在還感覺恐懼，到現在也不能完整寫出閉環(huán)系統傳遞函數，對于系統零點、極點的概念感覺很模糊，看波德圖也只是大概看出是發(fā)散還是收斂，所以對于反饋補償不敢胡言亂語，但有有一些建議。如果有一些數學功底，再有一些學習時間可以再把大學的課本《自動控制原理》找出來仔細的消化一下，并結合實際的開關電源電路，按工作狀態(tài)進行分析。一定會有所收獲，論壇有一個帖子《拜師求學反饋環(huán)路設計、調式》其中CMG回答得很好，我覺得可以參考。

　　最后談談關于反激電源的占空比（本人關注反射電壓，與占空比一致），占空比還與選擇開關管的耐壓有關，有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管，如 600V或650V作為交流220V 輸入電源的開關管，也許與當時生產工藝有關，高耐壓管子，不易制造，或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性，像這種線路反射電壓不能太高，否則為使開關管工作在安全范圍內，吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。實踐證明600V管子反射電壓不要大于100V，650V管子反射電壓不要大于120V，把漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作余量?，F在由于MOS管制造工藝水平的提高，一般反激電源都采用700V或750V甚至 800-900V的開關管。像這種電路，抗過壓的能力強一些開關變壓器反射電壓也可以做得比較高一些，最大反射電壓在150V比較合適，能夠獲得較好的綜合性能。 PI公司的TOP芯片推薦為135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位。但他的評估板一般反射電壓都要低于這個數值在110V左右。這兩種類型各有優(yōu)缺點：

　　第一類：缺點抗過壓能力弱，占空比小，變壓器初級脈沖電流大。優(yōu)點：變壓器漏感小，電磁輻射低，紋波指標高，開關管損耗小，轉換效率不一定比第二類低。

　　第二類：缺點開關管損耗大一些，變壓器漏感大一些，紋波差一些。優(yōu)點：抗過壓能力強一些，占空比大，變壓器損耗低一些，效率高一些。

　　反激電源反射電壓還有一個確定因素

　　反激電源的反射電壓還與一個參數有關，那就是輸出電壓