開關電源的技術應用月盤點

開關電源的應用越來越多，相關技術也在不斷的進步和穩(wěn)定。許多剛投身于此的工程師或者畢業(yè)生，或許需要對此有一個新的，普及型的認知。本文整理了近一個月的開關電源資料，希望能給從業(yè)者帶來幫助。

　　開關電源技術四大發(fā)展趨勢

　　目前中國制造的開關電源占了世界市場的80%，但是高端市場上幾乎沒有我們的份額。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關的行業(yè)，所以需要政府以及學會團體應該在幾個方面給電源的發(fā)展方向作出指導。

　　一、非隔離DC/DC技術迅速發(fā)展

　　近年來，非隔離DC/DC技術發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統(tǒng)由于負載不同，會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓，主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC，它們基本上可以分成兩大類。一類在內部含有功率開關元件，稱DC/DC轉換器。另一類不含功率開關，需要外接功率MOSFET，稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉成負壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相?？刂品绞缴弦訮WM為主，少部分為PFM。

　　在非隔離的DC/DC轉換技術中，TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK，采用這種技術的DC/DC轉換效率最高可以達到97%，其中TPS40071等是其代表產品。BOOST升壓方式也出現(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產品。在低壓領域，增加效率的幅度很大，而且正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。

　　二、開關電源吹響數(shù)字化號角

　　目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設備、照片處理、通訊、網絡等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域了。近年來，數(shù)字電源的研究勢頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢，又兼并了PWMIC專業(yè)制造商UNITRODE公司，該公司已經用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊，其中PFC和PWM部分完全為數(shù)字式控制。

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　　開關電源的合理設計

　　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(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。

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　　淺談綠色開關電源的設計

　　早期的開關電源由于技術不太成熟、器件性能的局限性，一些參數(shù)做得不太好像EMC難過關、待機功耗較大、效率不太高等。電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。

　　因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。各種運行的電力設備之間以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯(lián)并相互影響，在一定的條件下會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。

　　20世紀80年代興起的電磁兼容EMC學科以研究和解決這一問題為宗旨，主要是研究和解決干擾的產生、傳播、接收、抑制機理及其相應的測量和計量技術，并在此基礎上根據(jù)技術經濟最合理的原則，對產生的干擾水平、抗干擾水平和抑制措施做出明確的規(guī)定，使處于同一電磁環(huán)境的設備都是兼容的，同時又不向該環(huán)境中的任何實體引入不能允許的電磁擾動。

　　隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，器件的性能提高，特別是節(jié)能型電源芯片如雨后春筍般涌現(xiàn)，加上電路設計的成熟，要設計效率高、待機功耗小的節(jié)能型開關電源已是不太難的事情，設計節(jié)能型開關電源正是適應了節(jié)能減排的需求。

　　本人現(xiàn)在以圖一的電路圖為例，以美國加州能源之星法案(Ⅳ等級)Table U-2(2008年1月執(zhí)行)為設計依據(jù)來闡述設計綠色開關電源的要點。美國加州能源之星法案(Ⅳ等級)Table U-2的要求如下：

　　注意1：表中Pn是外置型開關電源的標準輸出功率，Ln是自然對數(shù)。

　　注意2：美國加州“能源之星”是強制執(zhí)行的，是美國加州地方法規(guī)。進入美國加州的商品開關電源必須遵守這一法規(guī)。我國不少廠商是按照美國加州“能源之星”法案來設計和生產綠色開關電源的。

　　圖一所示是輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開關電源，作為14英寸至17英寸的液晶顯示器的電源適配器之用。

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　　熱設計中常用的幾種方法

　　開關電源已普遍運用在當前的各類電子設備上，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，目前已高達數(shù)百瓦每立方英寸。由于開關電源中使用了大量的大功率半導體器件，如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場效應管等器件。它們工作時會產生大量的熱量， 如果不能把這些熱量及時地排出并使之處于一個合理的水平將會影響開關電源的正常工作，嚴重時會損壞開關電源。為提高開關電源工作的可靠性，，熱設計在開關電源設計中是必不可少的重要一個環(huán)節(jié)。

　　為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去，一般從以下幾個方面進行考慮： 使用散熱器、冷卻風扇、金屬PCB、散熱膏等。在實際設計中要針對客戶的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。

　　半導體器件的散熱器設計

由于半導體器件所產生的熱量在開關電源中占主導地位，其熱量主要來源于半導體器件的開通