開關電源知識了解

電源是一切電子設備的心臟，沒有電源，電子設備就不可能工作。雖然市面上有很多介紹開關電源的書籍，但仍然缺少快速入門及經(jīng)驗總結類的資料，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、時間和負載所變化的，它們不能直接成為電子設備所需的內部電源。電子設備由于要完成許多高級的功能，對其供電電源的精度隨環(huán)境的變化，動態(tài)響應能力，還有很多其他的指標都有非常高的要求。將電網(wǎng)或電池的一次電能轉換為符合電子設備要求的二次電能，這樣的變換設備就是我們這里要講的電源。

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

一個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，采用脈沖調制技術的直流--直流變換器型穩(wěn)壓電源，即我們馬上就要講到的開關電源。

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

開關電源按變換方式可分為以下四大類：

1、AC/DC 開關電源

2、DC/DC 開關電源

3、DC/AC 逆變器

4、AC/AC 變頻器

目前只將前面兩類稱為開關電源，將后面兩類分別稱為逆變器和變頻器。

開關電源按應用方式可分為以下三大類：

1、外置電源

與設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)

手機電池充電器

筆記本電腦的Adapter

各類手提設備、便攜設備的電池充電器等等

2、內置電源

放在設備內部的電源模塊或電源系統(tǒng)，如：

計算機內部的SilverBox和VRM

家電(如：普通電視機、等離子電視機、液晶電視機)內部的供電電源

工業(yè)控制設備內部的電源

儀器中使用的電源

通信設備內部的電源模塊和系統(tǒng)

復印機、傳真機、打印機等的內部電源等等

3、板上電源

放在設備內單板上的電源模塊，如：

標準磚類電源(全磚、半磚、1/4磚、1/8磚)

非隔離POL(Point of Load 負載點)變換器

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

小功率SMD電源

SIP和DIP電源等等

開發(fā)一個開關電源產(chǎn)品所需要的基本技能：

1、認識組成開關電源的所有元器件

2、掌握各種元器件的電氣性能和電路符號

3、會自己制作各種磁芯元件

4、會正確裝配電源中的各個部分

5、了解電源各項指標的意義并掌握如何測試的方法

6、會使用儀器對裝配后的電源進行正確的調試，優(yōu)化和折中

7、會對獲得的實驗結果進行分析，并進行總結

8、會從不同渠道不斷地學習電源知識并能夠和別人交流

開發(fā)一個開關電源產(chǎn)品所需要的專業(yè)理論知識：

1、有源PFC的拓撲分析，控制與設計

2、DC/DC功率變換器的拓撲與穩(wěn)態(tài)分析

3、開關電源的功率級參數(shù)設計

4、開關電源的控制與動態(tài)分析

5、開關電源的小信號分析與設計

6、開關電源的大信號分析與設計

7、開關電源的EMI分析與設計

8、開關電源的熱分析與設計

9、開關電源的容差分析與設計

10、開關電源的各種保護技術

11、開關電源的同步整流技術

12、開關電源的模塊均流控制技術

有些技術很成熟了，只要查表或者使用現(xiàn)成電路或專用芯片就可以做好。EMI比較困難，因為元件特性會變化。

開關電源變壓器設計

開關電源變壓器是開關電源中的核心部件，作用有三：磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。由于開關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，同時變壓器的分布參數(shù)亦不能忽略。設計時需要考慮磁芯材料選擇，磁芯與線圈的結構，繞制工藝等。

開關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。一般根據(jù)開關電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結構設計中實現(xiàn)，而趨膚效應則作為選擇導線規(guī)格的條件之一。

開關電源變壓器的工作狀態(tài)與開關型功率變換器的電路形式有關，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，開關電源變壓器工作狀態(tài)也不同，對開關電源變壓器也提出了不同的設計要求。

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)開關變壓器的電路類型、使用要求、功率等級、經(jīng)濟指標等選用合適的磁芯形狀。磁芯型號主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每種型號又有很多尺寸規(guī)格可以選擇。

開關電源變壓器參數(shù)計算：漏感計算、分布電容計算、穿透深度(導線選擇)、交流電阻計算、電流有效值。

開關電源變壓器設計

設計內容：

1、磁芯規(guī)格

2、匝數(shù)與導線規(guī)格

3、損耗與溫升

4、導線結構：多股線或扁平線

5、繞組結構：多層或分段饒制

6、端空設計：按絕緣電位設計端空

設計條件：

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、開關管最大導通時間

6、開關管導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

設計參數(shù)的確定：

1、磁感應強度B和電流密度J

磁感應強度B、變壓器銅耗Pm、電流密度J

2、變壓器和線圈的結構參數(shù)

銅線占空系數(shù)、平均匝長、變壓器表面積、磁芯結構常數(shù)

鐵氧體材料的開關電源變壓器采用標準化設計，通過查表的方法簡化工作量。

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

技術指標

直流功率、增量磁感、剩余磁感、電流密度、電壓調整率、電感系數(shù)

損耗指標

磁芯損耗、線圈銅耗、散熱面積、單位損耗、效率

結構參數(shù)

結構常數(shù)、平均匝長、等效截面、磁路長度、氣隙厚度、磁芯體積

線圈參數(shù)

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

開關電源設計優(yōu)化

當我們設計完成一個開關電源以后，只是大致實現(xiàn)了其功能和指標，還需要進行各種優(yōu)化。

1、功率級參數(shù)的優(yōu)化

在選定功率級拓撲后，可利用前面的知識和穩(wěn)態(tài)工作點選擇對功率參數(shù)進行優(yōu)化，使得：

開關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

電源整機的功率密度最高

功率級的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，其繞法都會直接影響其他功率元器件的選擇和整個功率級的效率及功率密度。合理地選擇功率開關器件和它們的驅動電路及吸收電路，對功率級的性能也很重要。

2、環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化

在選定功率級拓撲和控制策略后，可利用前面的知識在功率級參數(shù)優(yōu)化的基礎上，對環(huán)路參數(shù)進行優(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，最重要的是補償器參數(shù)，調制器參數(shù)(如外部斜波補償含量)和光耦電路參數(shù)的優(yōu)化。其中，電源整機的PCB Layout對環(huán)路的影響非常大，只有在好的PCB Layout下面，通過環(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，從而實現(xiàn)更好的動態(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電源產(chǎn)品中，必須對輔助電源的質量進行優(yōu)化，使得：

輔助電源對開關電源穩(wěn)態(tài)性能的影響最小

輔助電源對開關電源動態(tài)性能的影響最小

輔助電源不會影響開關電源整機的可靠性

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

4、其他優(yōu)化

電源內各種保護電路的優(yōu)化

EMI濾波器電路的優(yōu)化

電源內部熱環(huán)境的優(yōu)化

電源其他功能電路(如：均流、同步、熱插拔、遠端補償?shù)鹊?的優(yōu)化

PCB Layout的優(yōu)化等等

開關電源設計折中

設計開關電源是個充滿矛盾的過程，魚和熊掌不可得兼，需要平衡折中各種指標，這個火候的掌握和拿捏需要大量經(jīng)驗。前面談了優(yōu)化，現(xiàn)在談折中，有時反而需要減少優(yōu)化程度，真是奇妙啊!

1、穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能的折中

很多功率級拓撲，其穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能通常難以兼顧，穩(wěn)態(tài)性能好，動態(tài)性能就差，動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)性能就差。這種例子非常多，所以選擇拓撲時，一定要根據(jù)要求和應用場合來合理選擇。

即使同一個拓撲，其功率級參數(shù)設計時，也要考慮穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能的折中。如：輸出濾波器電感的設計，對效率而言，希望其越大越好，但對動態(tài)性能而言，則希望其小一點好，所以設計時需要折中。

2、功率密度與可靠性的折中

很多有更高功率密度的拓撲，其實現(xiàn)時會比較復雜，而且往往拓撲本身還有可靠性較低的隱患，所以，選擇拓撲結構時也要根據(jù)可靠性和性能來進行具體折中。如一些實現(xiàn)軟開關的拓撲，一般可實現(xiàn)更高的開關頻率，具有更高的功率密度，但他們在實現(xiàn)的產(chǎn)品中，可靠性往往較低。

3、小信號性能與大信號性能的折中

在一個電源中，有很多性能需要滿足，利用不同的控制策略，不同的補償電路會得到不同的動態(tài)性能。有些控制策略或參數(shù)對輸入端的擾動具有較強的抑制能力，有些則對負載端的擾動具有較強的抑制能力，有的參數(shù)對小信號動態(tài)穩(wěn)定性很好，但在大信號下，其可能不穩(wěn)定，有的參數(shù)能滿足大信號的要求，但小信號下其會變差，因此，要對大小信號的動態(tài)設計進行折中。

4、高低溫下的設計折中

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

5、電性能與熱性能之間的折中

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

6、關鍵部件的折中

在開關電源中，有一些關鍵部件，在設計時需要折中。如：功率變壓器的設計，對穩(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，但在實現(xiàn)漏感最小的同時，往往會增加繞組之間的分布電容，這通常會增加共模EMI干擾和降低安全性。

另外，如驅動能力的折中。為了減小功率開關器件(MOSFET)的開關損耗，希望其開關過程盡量短，這可通過減小門級驅動電阻來實現(xiàn)，但在開關速度提高的同時，往往會增加電源的共模EMI，使得EMI特性變差。

7、其他折中

做好一個開關電源，還有很多其他折中要做，總之，因為開關電源是一個在一定邊界(由輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度組成的長方體)之內，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上優(yōu)化，在優(yōu)化的基礎上折中，使開發(fā)的電源產(chǎn)品達到最佳的性價比。