开关电源的深度分析.docx

首先从开关电淞的设计&生产工艺起先描述3先说说F1.IM板的设计关电源工作在高频率.对赚冲状4>属广模拟电路中的个比较特殊种类.布板时须强衡K频电路布线原姻.1、布局：脉冲电压连线尽可能短，其中输入开关管到变压器连线，输出变压器到整流管连接线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近开关电源输入端，输入线应避开与其他电路平行,应避开。Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持肯定距离，以避开磁偶合。如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽,以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。输出电容一般可采纳两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子，可影响电源输出纹波指标，两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器件要和电解电容保持肯定距离.以延长整机寿命，电解电容是开关电源寿命的瓶劲，如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离，电解之间也须留出散热空间，条件允许可将其放置在进风口。限制部分要留意：高阻抗弱信号电路连线要尽量短如取样反馈环路，在处理时要尽量避开其受干扰、电流取样信号电路,特殊是电流限制型电路，处理不好易出现一些想不到的意外，其中有一些技巧，现以3843电路举例见图（1）图一效果要好于图二，图二在满鼓时用示波器观测电流波形上明显叠加尖剌,由于干扰限流点比设计值偏低,图一则没有这种现象、还有开关管驱动信号电路，开关管驱动电阻要靠近开关管，可提高开关管工作牢靠性.这和功率MOSFET高直流阻抗电压驱动特性有关。3843电路例图下面谈一谈印制板布线的一些原则。线间距：随着印制线路板制造工艺的不断完善和提高，一般加工厂制造出线间距等于甚至小于Simm已经不存在什么问题，完全能够满意大多数应用场合。考虑到开关电源所采纳的元器件与生产工艺，一般双面板最小线间距设为03mm,单面板最小线间距设为0.5mm,焊盘与焊盘、焊盘与过孔或过孔与过孔，最小间距设为Q5mm,可避开在焊接操作过程中出现桥接1现象。，这样大多数制板厂都能够很轻松海意生产要求，并可以把成品率限制得特别高，亦可实现合理的布线密度与有一个较经济的成本。最小线间距只适合信号限制电路和电压低于63V的低压电路，当线间电压大于该值时一般可依据500V1.mm阅历值取线间距。鉴于有一些相关标准对线间距有较明确的规定.则要严格依据标准执行.如沟通入口端至熔断器端连线。某些电源对体积要求很高，如模块电源。一般变压器输入侧线间距为Imm实践证明是可行的。对沟通输入，（隔离）直流输出的电源产品，比较严格的规定为平安间距要大于等于6mm,当然这由相关的标准与执行方法瑜定。一般平安间距可由反馈光播两侧距离作为参考，原则大于等于这个距离。也可在光耦下面印制板上开槽，使爬电距离加大以满意绝缘要求。一般开关电源沟通输入侧走线或板上元件距非绝缘的外壳、散热器间距要大于5mm,输出侧走线或器件距外壳或散热器间距要大于2mm.或严格依据平安规范执行。常用方法：上文提到的线路板开槽的方法适用于一些间距不够的场合.顺便提一下，该法也常用来作为爱护放电间隙，常见于电视机显象管尾板和电源沟通输入处。该法在模块电源中得到了广泛的应用，在灌封的条件下可获得很好的效果：方法二：垫绝缘纸，可采纳青克纸、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等绝缘材料。一般通用电源用青壳纸或聚脂膜垫在线路板于金属机壳间，这种材料有机械强度高，有有肯定抗潮湿的实力。聚四氯乙烯定向膜由于具有耐高温的特性在模块电源中得到广泛的应用。在元件和四周导体间也可垫绝缘薄膜来提高绝缘抗电性能。留意：某些器件绝缘被覆套不能用来作为绝缘介质而减小平安间距，如电解电容的外皮，在高温条件下,该外皮有可能受热收缩。大电解防爆槽前端要留出空间，以确保电解电容在特别状况时能无阻碍地泻压.下面谈一谈印制板铜皮走线的一些事项：走线电流密度：现在多数电子线路采纳绝缘板缚铜构成。常用线路板铜皮厚度为35m,走线可依据1.A/mm阅历值取电流密度值，具体计算可参见教科书。为保证走线机械强度原则线宽应大于或等于03mm（其他非电源线路板可能最小线宽会小一些）。铜皮厚度为70m线路板也常见于开关电源.那么电流密度可更高些。补充一点，现常用线路板设计工具软件一般都有设计规范项.如线宽、线间距，旱盘过孔尺寸等参数都可以进行设定。在设计线路板时，设计软件可自动依据规范执行,可节约很多时间，削减部分工作量.降低出错率。一般对牢靠性要求比较高的线路或布线线密度大可采纳双面板。其特点是成本适中，牢靠性高，能满意大多数应用场合。模块电源行列也有部分产品采纳多层板，主要便于集成变压器电感等功率器件.优化接线、功率管散热等。具有工艺美观一样性好,变压器散热好的优点，但其缺点是成本较高，敏捷性较差，仅适合于工业化大规模生产。单面板，市场流通通用开关电源几乎都采纳了单面线路板，其具有低成本的优势,在设计,与生产工艺上实行一些措施亦可确保其性能。今日谈谈单面印制板设计的一些体会,由于单面板具有成本低廉,易于制造的特点，在开关电源线路中得到广泛应用，由于其只有一面缚铜，器件的电器连接.机械固定都要依靠那层铜皮.在处理时必需当心。为保证良好的焊接机械结构性能，单面板焊盘应略微大一些,以确保铜皮和基板的良好缚着力，而不至于受到振动时铜皮剥离、断脱。一般焊环宽度应大于03mm。焊盘孔直径应略大于器件引脚直径，但不宜过大，保证管脚与焊盘间由焊锡连接距离最短，盘孔大小以不阻碍正常查件为度，焊盘孔直径一般大于管脚直径01.-02mm°多引脚器件为保证顺当查件,也可更大一些。电气连线应尽量宽，原则宽度应大于焊盘直径，特殊状况应在连线于与焊盘交汇必需将线加宽（俗称生成泪滴），避开在某些条件线与焊盘断裂。原则最小线宽应大于05mm°单面板上元器件应紧贴线路板。须要架空散热的器件，要在器件与线路板之间的管脚上加套管,可起到支撑器件和增加绝缘的双重作用，要最大限度削减或避开外力冲击对焊盘与管脚连接处造成的影响，增加焊接的坚固性。线路板上重量较大的部件可增加支撑连接点，可加强与线路板间连接强度，如变压器，功率器件散热器，单面板焊接面引脚在不影响与外壳间距的前题条件下，可留得长一些，其优点是可增加焊接部位的强度,加大焊接面积、有虚焊现象可即时发觉。引脚长剪腿时，焊接部位受力较小。在台湾、日本常采纳把器件引脚在焊接面弯成与线路板成45度角,然后再焊接的工艺，的其道理同上。今日谈一谈双面板设计中的一些事项，在一些要求比较高，或走线密度比较大的应用环境中采纳双面印制板,其性能与各方面指标要比单面板好很多。双面板焊盘由于孔已作金属化处理强度较高，焊环可比单面板小一些,焊盘孔孔径可比管脚直径略微大一些，因为在焊接过程中有利于焊锡溶液通过焊孔渗透到顶层焊盘，以增加焊接牢靠性。但是有一个弊端，假如孔过大，波峰焊时在射流锡冲击下部分器件可能上浮，产生一些缺陷。大电流走线的处理，线宽可依据前帖处理，如宽度不够，一般可采纳在走线上镀锡增加厚度进行解决，其方法有好多种：1 .将走线设置成焊盘属性，这样在线路板制造时该走线不会被阻焊剂覆盖，热风整平常会被镀上锡。2 .在布线处放芭焊盘，将该焊盘设置成须要走线的形态，要留意把焊盘孔设置为零。3 .在阻焊层放置线，此方法最敏捷，但不是全部线路板生产商都会明白你的意图.需用文字说明。在阻焊层放置线的部位会不涂阻焊剂。线路镀锡的几种方法如上,要留意的是，假如很宽的的走线全部镀上锡，在焊接以后，会粘接大量焊锡,并且分布很不匀称，影响美观。一般可采纳瘦长条镀锡宽度在1.1.5mm,长度可依据线路来确定，镀锡部分间隔0.5-1.mm双面线路板为布局、走线供应了很大的选择性，可使布线更趋于合理。关于接地，功率地与信号地肯定要分开，两个地可在滤波电容处汇合，以避开大脉冲电流通过信号地连线而导致出现不稳定的意外因素，信号限制回路尽量采纳一点接地法，有一个技巧，尽量把非接地的走线放置在同一布线层，最终在另外一层铺地线。输出线一般先经过滤波电容处,再到负裁，输入线也必需先通过电容，再到变压器，理论依据是让纹波电流都通过旅滤波电容。电压反馈取样，为避开大电流通过走线的影响，反馈电压的取样点肯定要放在电源输出最末梢，以提高整机负载效应指标。走线从一个布线层变到另外一个布线层一般用过孔连通，不宜通过器件管脚焊盘实现.因为在插装器件时有可能破坏这种连接关系，还有在每IA电流通过时，至少应有2个过孔，过孔孔径原则要大于0.5mm,一般0.8mm可确保加工牢靠性。器件散热，在一些小功率电源中，线路板走线也可兼散热功能，其特点是走线尽量宽大，以增加散热面积，并不涂阻焊剂，有条件可匀称放置过孔.增加导热性能。接着谈谈铝基板在开关电源中的应用和多层印制板在开关电源电路中的应用。铝基板由其本身构造，具有以下特点：导热性能特别优良、单面缚铜、器件只能放置在缚铜面、不能开电器连线孔所以不能依据单面板那样放置跳线。铝基板上一般都放置贴片器件，开关管，输出整流管通过基板把热量传导出去.热阻很低，可取得较高牢靠性。变压器采纳平面贴片结构,也可通过基板散热，其温升比常规要低，同样规格变压器采纳铝基板结构可得到较大的输出功率。铝基板跳线可以采纳搭桥的方式处理。铝基板电源一般由由两块印制板组成，另外一块板放置限制电路,两块板之间通过物理连接合成一体。由于铝基板优良的导热性,在小量手工焊接时比较困难，焊料冷却过快.简洁出现问题现有一个简洁好用的方法，将一个烫衣服的一般电熨斗（最好有调温功能）,翻过来.熨烫面对上,固定好，温度调到150C。左右，把铝基板放在熨斗上面，加温一段时间，然后依据常规方法将元件贴上并焊接，熨斗温度以器件易于焊接为宜,太高有可能时器件损坏.甚至铝基板铜皮剥离，温度太低焊接效果不好，要敏捷驾驭。最近几年，随着多层线路板在开关电源电路中应用，使得印制线路变压器成为可能，由于多层板，层间距较小,也可以充分利用变压器窗口截面.可在主线路板上再加一到两片由多层板组成的印制线圈达到利用窗口，降低线路电流密度的目的，由于采纳印制线圈，削减了人工干预，变压器一样性好，平面结构，漏感低，偶合好。开启式磁芯，良好的散热条件。由于其具有诸多的优势.有利于大批量生产，所以得到广泛的应用。但研制开发初期投入较大，不适合小规模生。开关电源分为，隔离与非隔离两种形式，在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式，在下文中.非特殊说明，均指隔离电源。隔离电源依据结构形式不同，可分为两大类：正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截止，变压器储能。原边截止时，副边导通,能量释放到负裁的工作状态，一般常规反激式电源单管多，双管的不常见。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载，能量通过变压器干脆传递。按规格又可分为常规正激，包括单管正激，双管正激。半桥、桥式电路都属于正激电路。正激和反激电路各有其特点，在设计电路的过程中为达到最优性价比.可以敏捷运用。一般在小功率场合可选用反激式。略微大一些可采纳单管正激电路.中等功率可采纳双管正激电路或半桥电路,低电压时采纳推挽电路，与半桥工作状态相同。大功率输出，一般采纳桥式电路，低压也可采纳推挽电路。反激式电源因其结构简洁，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感.而在中小功率电源中得到广泛的应用。在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦,输出功率超过100瓦就没有优势.实现起来有难度。本人认为一般状况下是这样的，但也不能一概而论，PI公司的ToP芯片就可做到300瓦.有文章介绍反激电源可做到上千瓦,但没见过实物。输出功率大小与输出电压凹凸有关。反激电源变压器漏感是一个特别关键的参数，由于反激电源须要变压器储存能量,要使变压器铁芯得到充分利用,一般都要在磁路中开气隙，其目的是变更铁芯磁滞回线的斜率，使变压器能够承受大的脉冲电流冲击，而不至于铁芯进入饱和非线形态态，磁路中气隙处于高遨阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。变压器初次极间的偶合，也是确定漏感的关键因素，要尽量使初次极线图靠近，可采纳三明治绕法,但这样会使变压器分布电容增大。选用铁芯尽量用窗口比较长的磁芯，可减小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比日型的好。关于反激电源的占空比，原则上反激电源的最大占空比应当小于。5.否则环路不简洁补偿，有可能不稳定，但有一些例外，如美国P1.公司推出的TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的条件下。占空比由变压器原副边匝数比确定，本人对做反激的看法是，先确定反射电压（输出电压通过变压器耦合反映到原边的电压值），在肯定电压范围内反射电压提高则工作占空比增大，开关管损耗降低。反射电压降低则工作占空比减小，开关管损耗增大。当然这也是有前提条件，当占空比增大,则意味着输出二极管导通时间缩短，为保持输出稳定，更多的时候将由输出电容放电电流来保证,输出电容将承受更大的高频纹波电流冲刷，而使其发热加剧，这在很多条件下是不允许的.占空比增大，变更变压器匝数比，会使变压器漏感加大，使其整体性能变.当漏感能量大到肯定程度,可充分抵消掉开关管大占空带来的低损耗，时就没有再增大占空比的意义了，甚至可能会因为漏感反峰值电压过高而击穿开关管。由于漏感大，可能使输出纹波，与其他一些电磁指标变差。当占空比小时，开关管通过电流有效值高，变压器初级电流有效值大，降低变换器效率.但可改善输出电容的工作条件，降低发热。有网友提到开关电源的反馈环路的参数设置，工作状态分析。由于在上学时高数学的比较差，自动限制原理差一点就补考了，对于这一门现在还感觉恐惊.到现在也不能完整写出闭环系统传递函数,对于系统零点、极点的概念感觉很模糊，看波德图也只是或许看出是发散还是收敛，所以对于反馈补偿不敢胡言乱语，但有有一些建议。假如有一些数学功底,再有一些学习时间可以再把高校的课本自动限制原理找出来细致的消化一下,并结合实际的开关电源电路.按工作状态进行分析。肯定会有所收获，有一个帖子拜师求学反馈环路设计、调式其中CMG回答得很好,我觉得可以参考。最终谈谈关于反激电源的占空比（本人关注反射电压.与占空比一样）.占空比还与选择开关管的耐压有关，有一些早期的反激电源运用比较低耐压开关管.如600V或650V作为沟通220V输入电源的开关管，或许与当时生产工艺有关，高耐压管子，不易制造，或者低耐压管子有更合理的导通损耗与开关特性，像这种线路反射电压不能太高.否则为使开关管工作在平安范围内，汲取电路损耗的功率也是相当可观的。实践证明600V管子反射电压不要大于100V.650V管子反射电压不要大于120V,把漏感尖峰电压值钳位在50V时管子还有50V的工作余量。现在由于MoS管制造工艺水平的提高.一般反激电源都采纳700V或750V甚至800-90OV的开关管。像这种电路，抗过压的实力强一些开关变压器反射电压也可以做得比较高一些，最大反射电压在150V比较合适，能够获得较好的综合性能。P1.公司的ToP芯片举荐为135V采纳瞬变电压抑制二极管钳位。但他的评估板一般反射电压都要低于这个数值在IIoV左右。这两种类型各有优缺点：第一类：缺点抗过压实力弱，占空比小，变压器初级脉冲电流大。优点：变压器漏感小，电磁辐射低，纹波指标高，开关管损耗小，转换效率不肯定比其次类低。其次类：缺点开关管损耗大一些.变压器漏感大一些.纹波差一些。优点:抗过压实力强一些，占空比大，变压器损耗低一些，效率高一些。反激电源反射电压还有一个确定因素反激电源的反射电压还与一个参数有关，那就是输出电压，输出电压越低则变压器匝数比越大.变压器漏感越大,开关管承受电压越高，有可能击穿开关管、汲取电路消耗功率越大，有可能使汲取回路功率器件永久失效（特殊是采纳瞬变电压抑制二极管的电路）。在设计低压输出小功率反激电源的优化过程中必需当心处理，其处理方法有几个：1、采纳大一个功率等级的磁芯降低漏感，这样可提凹凸压反激电源的转换效率,降低损耗，减小输出纹波.提高多路输出电源的交差调整率.一般常见于家电用开关电源，如光碟机、DVB机顶盒等。2、假如条件不允许加大磁芯，只能降低反射电压，减小占空比。降低反射电压可臧小漏感但有可能使电源转换效率降低，这两者是一个冲突,必须要有一个替代过程才能找到一个合适的点，在变压器替代试验过程中，可以检测变压器原边的反峰电压,尽量降低反峰电压脉冲的宽度,和幅度.可增加变换器的工作平安裕度。一般反射电压在IIOV时比较合适。3、增加耦合，降低损耗，采纳新的技术，和绕线工艺，变压器为满意平安规范会在原边和副边间实行绝缘措施，如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感性能，现实生产中可采纳初级绕组包绕次级的绕法。或者次级用三重绝缘线绕制，取消初次级间的绝缘物，可以增加耦合.甚至可采纳宽铜皮绕制。文中低压输出指小于或等于5V的输出，像这一类小功率电源，本人的阅历是，功率输出大于20W输出可采纳正激式，可获得最佳性价比，当然这也不是决对的,与个人的习惯，应用的环境有关系，下次谈一谈反激电源用磁性芯，磁路开气隙的一些相识，希望各位高人指引。反激电源变压器磁芯在工作在单向磁化状态，所以磁路须要开气隙，类似于脉动直流电感器。部分磁路通过空气缝隙糖合。为什么开气隙的原理本人理解为：由于功率铁氧体也具有近似于矩形的工作特性曲线(磁滞回线),在工作特性曲线上Y轴表示磁感应强度(B),现在的生产工艺一般饱和点在4mT以上，一般此值在设计中取值应当在200-30OmT比较合适、X轴表示磁场强度（三）此值与磁化电流强度成比例关系。遐路开气隙相当于把磁体磁滞回线向X轴向倾斜，在同样的磁感应强度下，可承受更大的磁化电流，则相当于磁心储存更多的能量.此能量在开关管截止时通过变压器次级泻放到负鼓电路，反激电源磁芯开气隙有两个作用。其一是传递更多能量，其二防止遨芯进入饱和状态。反激电源的变压器工作在单向磁化状态，不仅要通过磁耦合传递能量，还担负电压变换输入输出隔离的多重作用。所以气隙的处理须要特别当心，气隙太大可使漏感变大，磁滞损耗增加.铁损、铜损增大,影响电源的整机性能。气隙太小有可能使变压器质芯饱和，导致电源损坏。所谓反激电源的连续与断续模式是指变压器的工作状态，在满载状态变压器工作于能量完全传递，或不完全传递的工作模式。一般要依据工作环境进行设计，常规反激电源应当工作在连续模式，这样开关管、线路的损耗都比较小，而且可以减轻输入输出电容的工作应力，但是这也有一些例外。须要在这里特殊指出：由于反激电源的特点也比较适合设计成高压电源.而高压电源变压器一般工作在断续模式，本人理解为由于高压电源输出须要采纳高耐压的整流二极管。由于制造工艺特点，高反压二极管，反向复原时间长，速度低，在电流连续状态，二极管是在有正向偏压时复原,反向复原时的能量损耗特别大，不利于变换器性能的提高，轻则降低转换效率，整流管严峻发热,重则甚至烧毁整流管。由于在断续模式下,二极管是在零偏压状况下反向偏置，损耗可以降到一个比较低的水平。所以高压电源工作在断续模式,并且工作频率不能太高。还有一类反激式电源工作在临界状态，一般这类电源工作在调频模式，或调频调宽双模式，一些低成本的自激电源(RCe)常采纳这种形式，为保证输出稳定，变压器工作频率随着,输出电流或输入电压而变更，接近满或时变压器始终保持在连续与断续之间，这种电源只适合于小功率输出，否则电遨兼容特性的处理睬很让人头痛。反激开关电源变压器应工作在连续模式，那就要求比较大的绕组电感量，当然连续也是有肯定程度的，过分追求肯定连续是不现实的，有可能须要很大的磁芯，特别多的线圈匝数，同时伴随着大的漏感和分布电容，可能得不偿失。那么如何确定这个参数呢，通过多次实践，与分析同行的设计.本人认为，在标称电压输入时，输出达到50明60!6变压器从断续，过渡到连续状态比较合适。或者在最高输入电压状态时，满载输出时，变压器能够过渡到连续状态就可以了。具体PDF参考：