從設(shè)計到維修，全方位學(xué)習(xí)開關(guān)電源

　　所謂開關(guān)電源，是指利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)，控制開關(guān)管開通和管段的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制控制IC和MOSFER構(gòu)成，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。接下來給大家介紹一下開關(guān)電源設(shè)計過程中的一些注意事項，同時還介紹到當(dāng)開關(guān)電源出現(xiàn)問題的時候，如何快速的查找出開關(guān)電源的問題所在。

　　開關(guān)電源的布局

　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。

　　當(dāng)設(shè)計高頻開關(guān)電源時，布局非常重要。良好的布局可以解決這類電源的許多問題。因布局而出現(xiàn)的問題，通常在大電流時顯現(xiàn)出來，并且在輸入和輸出電壓之間的壓差較大時更加明顯。一些主要的問題是在大的輸出電流和/或大的輸入/輸出電壓差時調(diào)節(jié)能力的下降，在輸出和開頭波形上的額外噪聲，以及不穩(wěn)定性。應(yīng)用下面的幾個簡單原則就可以把這類問題最小化。

　　電感器

　　開關(guān)電源盡量使用低EMI（Electro Magnetic Interference）的帶鐵氧體閉合磁芯的電感器。比如圓形的或封閉的E型磁芯。如果開口磁芯（open cores）具有較低的EMI特性，并且離低功率導(dǎo)線和元件較遠(yuǎn)，也可以使用。如果使用開口磁芯，使磁芯的兩極與PCB板垂直也是一個好主意。棒狀磁芯（stick cores）通常用來消除大部分不需要的噪聲。

　　反饋

　　盡量使反饋回路遠(yuǎn)離電感器和噪聲源。還要盡可能使反饋線為直線，并且要粗一點。有時需要在這兩種方案之間折衷一下，但使反饋線遠(yuǎn)離電感器的EMI和其它噪聲源是兩者當(dāng)中更關(guān)鍵的一條。在PCB上使反饋線位于與電感器相對的一側(cè)，并且中間用接地層分開。

　　濾波電容器

　　當(dāng)使用小容量瓷質(zhì)輸入濾波電容器時，它應(yīng)該盡可能靠近IC的VIN引腳。這將消除盡可能多的線路電感影響，給內(nèi)部IC線路一個更干凈的電壓源。開關(guān)電源一些設(shè)計需要使用前饋電容器從輸出端連接到反饋引腳，通常是為了穩(wěn)定性的原因。在這種情況下，它的位置也應(yīng)該盡量靠近IC。使用表貼電容還會減少引線長度，從而減少噪聲耦合進(jìn)因通孔元件而造成的有效天線（effective antenna）。

　　補償

　　如果為了穩(wěn)定性，需要加入外部補償元件，它們也應(yīng)該盡量靠近IC。這里也建議使用表貼元件，原因同對濾波電容的討論。這些元件也不應(yīng)該離電感器太近。

　　走線和接地層

　　使所有的電源（大電流）走線盡可能短、直、粗。在一塊標(biāo)準(zhǔn)PCB板上，最好使走線的每安絕對最小寬度為15mil（0.381mm）。電感器、輸出電容器和輸出二極管應(yīng)該盡可能靠在一起。這樣可以幫助減少在大開關(guān)電流流過它們時，由開關(guān)電源走線引起的EMI。這也會減少引線電感和電阻，從而減少噪聲尖峰、鳴震（ringing）和阻性損耗，這些都會產(chǎn)生電壓誤差。IC的接地、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管（如果有的話）應(yīng)該一起直接連接到一個接地面。最好在PCB的兩面都設(shè)置接地面。這樣會減少接地環(huán)路誤差和吸收更多的由電感器產(chǎn)生的EMI，從而減少了噪聲。對于多于兩層的多層板，可以用接地面分開電源面（電源走線和元件所在的區(qū)域）和信號面（反饋和補償元件所在的區(qū)域）以提高性能。在多層板上，需要使用通孔把走線和不同的面連接起來。如果走線需要從一個面?zhèn)鬏斠粋€較大的電流到另一個面，每200mA電流使用一個標(biāo)準(zhǔn)通孔，是一個良好的習(xí)慣。

　　排列元件，使得開頭電流環(huán)同方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)開頭調(diào)節(jié)器的運行方式，有兩種功率狀態(tài)。一個狀態(tài)是當(dāng)開頭閉合時，另一個狀態(tài)是當(dāng)開頭斷開時。在每種狀態(tài)期間，將由當(dāng)前導(dǎo)通的功率器件產(chǎn)生一個電流環(huán)。排列功率器件，以使每種狀態(tài)期間電流環(huán)的導(dǎo)通方向相同。這會防止兩個半環(huán)之間的走線產(chǎn)生磁場反轉(zhuǎn)，并可減少EMI的放射。

　　散熱

　　當(dāng)使用表貼功率IC或外部功率開關(guān)時，PCB通?？梢杂米魃崞鳌＿@就是用PCB上的敷銅面來幫助器件散熱。參照特定器件手冊中有關(guān)使用PCB散熱的信息。這通?？梢允∪ラ_關(guān)電源外加的散熱裝置。

　　如何選擇開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電源是電子產(chǎn)品中必不可少的一部分，現(xiàn)在逐漸流行開關(guān)電源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種。下面就個人了解，羅列一些（不一定全）供大家參考。首先要明確您的產(chǎn)品中電源部分是否要與輸入電源隔離。

　　對于不隔離式開關(guān)電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉(zhuǎn)（負(fù)輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類型。對于隔離式開關(guān)電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類型。

　　先說不隔離式：

　　降壓（buck）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通向C供電同時L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C供電。

　　升壓（boost）型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能與V1串連向C1供電。

　　極性反轉(zhuǎn)型原理如下圖所示，前半周期Q1導(dǎo)通L1儲能，后半周期D1導(dǎo)通L1放能向C1供電。

　　若輸入電壓大于工作電壓，則選用降壓型，反之選擇升壓型。若單電源輸入，需要+、-電源時選用極性反轉(zhuǎn)型。

　　再說隔離式：若輸出功率較小（100W以下）常用反激式；若功率稍大，可選用正激式；再大就要采用半橋或全橋式了。

　　反激式是磁性元件在前半周儲能，后半周期傳遞能量。并關(guān)管要承受電源電壓與反激電壓之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接傳遞能量，后半周期泄放磁場。若磁場泄放不掉，則后面的周期中會因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來回流動，在每半個周期都傳遞能量，所以能做到較大功率。

　　半橋式是全橋式的簡化，它將一個橋臂上的功率器件換成電容，節(jié)約了一半數(shù)量的功率器件，且功率器件上承受的電壓也減半，故降低了成本。

　　升壓變換中多采用推挽式，因原邊電壓較低，繞組匝數(shù)少，繞成雙原邊也不增加多少成本，雙繞組又能增加功率，故是廣泛采用的方式。

　　　　如何為開關(guān)電源選擇合適的電感

　　電感是開關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上， 用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點是流過其上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于磁通連續(xù)特性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大的 電壓尖峰。

　　電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。有的應(yīng)用允許電感飽和，有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進(jìn)入飽和， 也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和，這要求在具體線路中進(jìn)行區(qū)分。大多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)”，此時電感值為一常數(shù)，不隨著端電壓與電流而變化。但 是，開關(guān)電