電源設(shè)計提示與技巧

大多數(shù)電子工程師是可以根據(jù)主要原則而進(jìn)行AC/DC電源設(shè)計的，但只有通過對設(shè)計的仔細(xì)的優(yōu)化，才可以取得真正的可靠性和效率的改進(jìn)。這里，XP Power把它在30至450W電源產(chǎn)品中開發(fā)與使用的一些優(yōu)化技術(shù)拿來與大家共享，而開發(fā)這些30至450W電源產(chǎn)品是為了滿足業(yè)界內(nèi)以最小的結(jié)構(gòu)因子來實現(xiàn)的某些最嚴(yán)格的要求。

基本的機(jī)械考慮：瞄準(zhǔn)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械外形就可以使您的電源使用于范圍廣泛的各種應(yīng)用。使接線端子和熔絲方便操作，也將提升它的吸引力，而在濾波器網(wǎng)絡(luò)中使用疊放的電感和電容，是一種使有效空間最大化的好方法，同時也優(yōu)化了電磁兼容性(EMC)的能力。而且，這個使用于低壓電路布圖的同樣方法是應(yīng)該被擴(kuò)展到電源方面的；設(shè)法保證元件的布局遵循一種“左進(jìn)-右出”的流程，使電源的生產(chǎn)與測試比較容易。
 
圖1  疊于電容頂部的電感使有效空間最大化
 
圖2  受到電擊穿的電解質(zhì)正被推向兩側(cè)，展示了“自修復(fù)”的能力(“X”表示當(dāng)電弧爆發(fā)外沖時使金屬箔移除的那個區(qū)域)

輸入端的無源元件：輸入級中的濾波器和電容是必不可少的，這些元件在總體可靠性方面也起到了關(guān)鍵性的作用。但切不可遐想而使用最小型的元件，因為我們已經(jīng)知道陶瓷電容對輸入尖峰電壓是極其無能的。另一方面，金屬化聚丙烯電容不僅可以承受尖峰電壓，而且表現(xiàn)出了“自修復(fù)”的特性，意思是，電源保持照常工作，這就彌補(bǔ)了相對于陶瓷電容的任何尺寸方面的代價。

足夠大的鋁電解電容將保證在輸入端的短時間電壓突變不會導(dǎo)致輸出電壓的跌落。通過選用其額定值大約為最大額定電壓120%的電容，就可以經(jīng)受較長的工作期限。而且，我們也使用其規(guī)范比必需的溫度額定值更高的器件，這也將延長工作壽命。電解電容有20ms數(shù)量級的保持(hold-up)時間，這應(yīng)該是算很大的，而且有相應(yīng)大的等效串聯(lián)電阻。在較高頻率上，這可以引起性能的損失，所以應(yīng)該使用較小的并聯(lián)電容作為補(bǔ)償之用，例如0.22μF的塑料薄膜電容。
 
圖3  使用七個元件的緩沖網(wǎng)絡(luò)實例(其中包括3個二極管、兩個電容一個電阻和一個電感。這些是用來耗散由不希望的反向電流所產(chǎn)生的功率。單獨(dú)的一個SiC二極管會是比較便宜)

輸入端的有源元件：被用作開關(guān)而跨接在變壓器初級繞組兩端的晶體管的額定值，需要選擇得能承受可能產(chǎn)生的很大的反電勢。例如，在265V AC設(shè)計中，MOS場效應(yīng)管將需要有1000V的額定值，因此就很貴。另外的做法是，考慮使用兩個500V的MOS管，分別接在變壓器初級繞組的兩側(cè)，成本的下降應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過增加的元件數(shù)。而且，需要一個單獨(dú)開關(guān)的、很大的和很貴的緩沖網(wǎng)絡(luò)，可以用較小的和較便宜的鉗位二極管來代替。

變換級的有源元件：功率因素校準(zhǔn)的升壓設(shè)計現(xiàn)正朝著炭化硅整流器(SIC)的方向發(fā)展。雖然這會增加成本，但使用SIC的費(fèi)用應(yīng)該能被制造、電路板面積和元件數(shù)的優(yōu)點所抵消，因為這可以代替若干個分離元件，包括緩沖網(wǎng)絡(luò)，而同時又可以凈增加效率。

控制電路：利用雙面和表面貼裝的制造技術(shù)現(xiàn)在也可以用于電源。電路板的背面為控制功能提供了一個理想的容納空間，雖然仍然需要一些工作量。

保持冷卻：功率半導(dǎo)體的壽命是與它們的溫度密切相關(guān)的。使用導(dǎo)熱但電絕緣的壓焊點允許直接與散熱器或其他襯底相連。通過對元件采用焊接的方法，而不是使用熱膠連接，可以使熱鍵合牢固得很多。在強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計中使用的風(fēng)扇可以通過一種簡單的控制電路而得以改善，這個電路可以根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的工作。這可以降低由風(fēng)扇引起的噪聲以及風(fēng)扇所消耗的電力。順便說一下，使風(fēng)扇護(hù)罩稍微向后離開一些風(fēng)扇，可以大大降低可聞噪聲，可以對護(hù)罩的類型以及護(hù)罩與風(fēng)扇之間的距離進(jìn)行試驗來取得最佳效果。
 
圖4  護(hù)罩已經(jīng)被稍微推向外側(cè)以降低噪聲

通過結(jié)合使用這些以及其他許多技術(shù)，XP Power不斷地向競爭的市場提供領(lǐng)先的產(chǎn)品。隨著工業(yè)界對現(xiàn)有的元件的不斷改進(jìn)，XP Power的客戶也將從使用這些元件的經(jīng)驗中得到受益。