開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)案例詳解

　　開(kāi)關(guān)電源某些參數(shù)做得不好會(huì)造成EMC難過(guò)關(guān)、待機(jī)功耗大、效率不高。如何減小開(kāi)關(guān)電源的待機(jī)功耗、提高開(kāi)關(guān)電源的效率是全球電源行業(yè)共同關(guān)注的問(wèn)題。本文配圖講述綠色開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(shè)計(jì)的成熟，要設(shè)計(jì)效率高、待機(jī)功耗小的節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源已是不太難的事情，設(shè)計(jì)節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源正是適應(yīng)了節(jié)能減排的需求。近幾年來(lái)，美國(guó)“能源之星”的實(shí)施對(duì)設(shè)計(jì)和制造高性能的節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源起到了推波助瀾的作用。

　　符合“能源之星”的開(kāi)關(guān)電源又叫“綠色開(kāi)關(guān)電源”，針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的“能源之星”已經(jīng)有了多個(gè)版本，隨著版本的升級(jí)，開(kāi)關(guān)電源的效率越來(lái)越高，待機(jī)功耗越來(lái)越小，但設(shè)計(jì)難度也會(huì)越來(lái)越大。開(kāi)關(guān)電源的效率一般在滿載輸出功率時(shí)測(cè)試，但CEC（美國(guó)加州）及“能源之星”規(guī)范中對(duì)設(shè)計(jì)的平均效率是在負(fù)載的四個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，這四個(gè)點(diǎn)是：25%，50%，75%及1 0 0%，設(shè)計(jì)是有一定難度的。

　　本人現(xiàn)在以圖一的電路圖為例，以美國(guó)加州能源之星法案（Ⅳ等級(jí)）Table U-2（2008年1月執(zhí)行）為設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)闡述設(shè)計(jì)綠色開(kāi)關(guān)電源的要點(diǎn)。美國(guó)加州能源之星法案（Ⅳ等級(jí)）Table U-2的要求如下：

　　注意1：表中Pn是外置型開(kāi)關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率，Ln是自然對(duì)數(shù)。

　　注意2：美國(guó)加州“能源之星”是強(qiáng)制執(zhí)行的，是美國(guó)加州地方法規(guī)。進(jìn)入美國(guó)加州的商品開(kāi)關(guān)電源必須遵守這一法規(guī)。我國(guó)不少?gòu)S商是按照美國(guó)加州“能源之星”法案來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)綠色開(kāi)關(guān)電源的。

　　圖一所示是輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開(kāi)關(guān)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。

　　綠色開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　綠色開(kāi)關(guān)電源的主要內(nèi)容是效率高，待機(jī)功耗小。36W的效率要求大于83%，待機(jī)功耗要小于0.5W?，F(xiàn)在的電源芯片供應(yīng)商提供的一般都是綠色電源芯片，待機(jī)功耗一般都會(huì)很小。但是，效率高除了與芯片有關(guān)外，還與其它器件有流＋反向漏電流 Idss×反壓，用6N60加散熱器可滿足要求。

　　二次整流管工作在高頻脈沖狀態(tài)下，在12V3A輸出時(shí)，要求工作耐壓大于輸出電壓的4 倍，工作電流大于輸出電流的3倍，用耐壓60V，工作電流為16A的SB1660肖特基二極管可滿足要求，但一定要加散熱器。

　　電源芯片的功耗越小越好，因?yàn)樗擞绊懻麢C(jī)效率和待機(jī)功耗外，還涉及整機(jī)的工作穩(wěn)定性，其功耗越大，溫升越高，工作越不穩(wěn)定。如昂寶公司的綠色開(kāi)關(guān)電源芯片 0B2269AP，其正常工作功耗小于30mW，工作穩(wěn)定。

　　開(kāi)關(guān)變壓器的損耗是整機(jī)損耗的大頭，它包括銅損和磁損。簡(jiǎn)單復(fù)制人家的優(yōu)質(zhì)開(kāi)關(guān)變壓器很難做成損耗小的開(kāi)關(guān)變壓器的，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)變壓器的損耗是一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系，與磁芯的品質(zhì)、設(shè)計(jì)、繞制工藝等有關(guān)。拿設(shè)計(jì)反激式開(kāi)關(guān)變壓器而言，它與工作頻率、導(dǎo)通時(shí)間、繞制方法、磁隙（磨磁芯）等有關(guān)。開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的核心，要有高深的理論知識(shí)和多年的經(jīng)驗(yàn)沉淀，優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工程師在選擇高品質(zhì)的磁芯、結(jié)合先進(jìn)的繞制工藝，能設(shè)計(jì)出效率高于97%的開(kāi)關(guān)變壓器。圖一中的開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯選用浙江天通的EE-30L，開(kāi)關(guān)工作頻率為65KHz，導(dǎo)通時(shí)間是0.42T（T是周期），初級(jí)78圈，次級(jí)8圈，芯片供電繞組9圈，初級(jí)電感量 1.2mH，漏感小于35uH，變壓器的效率可達(dá)96%，工作時(shí)溫升低于60℃。阻尼吸收網(wǎng)絡(luò)由R2、C3、D1組成，D1用UF4007，C3用 1000V4700PF的高壓瓷片電容器，R2為120K2W的電阻，R2與C3配合得好，脈沖吸收效果明顯，R2與C3失配太多，不但損耗加大，還會(huì)輻射電磁波而使EMC過(guò)不了關(guān)。經(jīng)測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)的損耗小于0.4W。要注意，該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是與電源芯片、工作頻率、變壓器的設(shè)計(jì)有關(guān)的，不能應(yīng)用于所有開(kāi)關(guān)電源的電路。

　　由于二次整流管在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖脈沖，在輸出中會(huì)疊加雜波，并且還會(huì)輻射電磁波而使EMC難過(guò)關(guān)，故要在二極管兩端并聯(lián)尖脈沖吸收網(wǎng)絡(luò)R8與C8，圖一中C8為22000PF100V的瓷片電容、R8為56歐姆0.5W的碳膜電阻，此吸收網(wǎng)絡(luò)也是有一定功耗的，C8越大R8 越小，損耗越大。

　　圖一尖脈沖吸收網(wǎng)絡(luò)的功率損耗小于0.25W。同樣要注意，吸收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也與電源芯片、開(kāi)關(guān)頻率、肖特基二極管的特性、變壓器的設(shè)計(jì)有關(guān)的。

　　阻波電感L2能使輸出紋波減小，一般是用漆包線在6毫米粗的磁棒上繞8到16圈。要注意，由于要通過(guò)大電流，故漆包線要粗，圈數(shù)不要太多，以免產(chǎn)生過(guò)大的壓降而增大損耗。圖一中的 L2的電感量為12uH，用粗0.8毫米的漆包線繞制，至于繞多少圈，要視磁棒的磁材料參數(shù)而定。

　　L2的設(shè)計(jì)與電源的工作頻率、輸出電流有關(guān)。特別提醒大家注意的是，DC輸出線（圖中未畫(huà)）一定要達(dá)到或超過(guò)3A，否則，由于通過(guò)的電流大，可能在DC輸出線上產(chǎn)生的功率損耗是最大的冤大頭。

　　DC輸出線在電源適配器中的價(jià)格比重較大，不少生產(chǎn)商會(huì)降低其載流量而減少成本，結(jié)果會(huì)使效率得不到保證。

　　本人按照?qǐng)D一電路參數(shù)設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源，在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓（220V50Hz正弦交流電）下，在輸出功率的25％測(cè)試時(shí)，輸出紋波為45mVpp，效率是83.4%；在輸出功率的50%測(cè)試時(shí)，輸出紋波為48mVpp，效率是83.8%；在輸出功率的7 5%測(cè)試時(shí)，輸出紋波為53mVpp，效率是84.5%；在滿載輸出功率測(cè)試時(shí)，輸出紋波為58mVpp，效率是84.8%。待機(jī)功耗小于0.4W。符合 CEC（美國(guó)加州）“能源之星”法案Table U-2（2008年1月執(zhí)行）綠色開(kāi)關(guān)的要求。

　　開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工程師要有深厚的理論功底和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及注意設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)等才能達(dá)到美國(guó)加州能源之星法案Ⅳ等級(jí)的設(shè)計(jì)要求。然而，符合“能源之星”的綠色開(kāi)關(guān)電源不一定是優(yōu)質(zhì)電源，還要求其它參數(shù)符合，綠色開(kāi)關(guān)電源只是在原來(lái)的開(kāi)關(guān)電源參數(shù)上提高了有關(guān)能效的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)而已。

　　隨著人們低碳生活的需求，開(kāi)關(guān)電源的能效要求會(huì)越來(lái)越高，開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)難度也會(huì)越來(lái)越大，這就要求開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工程師不斷更新知識(shí)，熟悉新材料，學(xué)習(xí)新技術(shù)，掌握新工藝，對(duì)技術(shù)精益求精，這樣才能設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的綠色開(kāi)關(guān)電源。