淺談開關電源設計

3， 在阻焊層放置線，此方法最靈活，但不是所有線路板生產商都會明白你的意圖，需用文字說明。在阻焊層放置線的部位會不涂阻焊劑線路鍍錫的幾種方法如上。一般可采用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm，長度可根據(jù)線路來確定，鍍錫部分間隔0.5~1mm 雙面線路板為布局、走線提供了很大的選擇性，可使布線更趨于合理。關于接地，功率地與信號地一定要分開，兩個地可在濾波電容處匯合，以避免大脈沖電流通過 信號地連線而導致出現(xiàn)不穩(wěn)定的意外因素，信號控制回路盡量采用一點接地法。

電壓反饋取樣，為避免大電流通過走線的影響，反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢，以提高整機負載效應指標。

走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通，不宜通過器件管腳焊盤實現(xiàn)，因為在插裝器件時有可能破壞這種連接關系，還有在每1A電流通過時，至少應有2個過孔，過孔孔徑原則要大于0.5mm，一般0.8mm可確保加工可靠性。

五、鋁基板在開關電源中的應用和多層印制板在開關電源電路中的應用

鋁基板(金屬基散熱板(包含鋁基板，銅基板，鐵基板))是一種獨特的金屬基覆銅板(結構見下圖)，它具有良好的導熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能。鋁基覆銅板是一種金屬線路板材料、由銅箔、導熱絕緣層及金屬基板組成，它的結構分三層： 　　Cireuitl.Layer線路層：相當于普通PCB的覆銅板，線路銅箔厚度loz至10oz。 　　DielcctricLayer絕緣層：絕緣層是一層低熱阻導熱絕緣材料。厚度為：0.003“至0.006”英寸是鋁基覆銅板的核心技術所在，已獲得UL認證。BaseLayer基層是金屬基板，一般是鋁或可所選擇銅。鋁基覆銅板和傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布層壓板等，目前市場上主流的是福斯萊特鋁基板。電路層(即銅箔)通常經過蝕刻形成印刷電路，使組件的各個部件相互連接，一般情況下，電路層要求具有很大的載流能力，從而應使用較厚的銅箔，厚度一般35μm~280μm;導熱絕緣層是鋁基板核心技術之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良，具有抗熱老化的能力，能夠承受機械及熱應力。該公司生產的高性能鋁基板的導熱絕緣層正是使用了此種技術，使其具有極為優(yōu)良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構件，要求具有高導熱性，一般是鋁板，也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導熱性)，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機械加工。

鋁基板由其本身構造，具有以下特點：導熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。

鋁基板上一般都放置貼片器件，開關管，輸出整流管通過基板把熱量傳導出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結構，也可通過基板散熱，其溫 升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放 置控制電路，兩塊板之間通過物理連接合成一體。

由于鋁基板優(yōu)良的導熱性，在小量手工焊接時比較困難，焊料冷卻過快，容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個簡單實用的方法，將一個燙衣服的普通電熨斗(最好有調溫功能)， 翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為 宜，太高有可能時器件損壞，甚至鋁基板銅皮剝離，溫度太低焊接效果不好，要靈活掌握。

最近幾年，隨著多層線路板在開關電源電路中應用，使得印制線路變壓器成為可能，由于多層板，層間距較小，也可以充分利用變壓器窗口截面，可在主線路板上再 加一到兩片由多層板組成的印制線圈達到利用窗口，降低線路電流密度的目的，由于采用印制線圈，減少了人工干預，變壓器一致性好，平面結構，漏感低，偶合 好。開啟式磁芯，良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢，有利于大批量生產，所以得到廣泛的應用。但研制開發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生。

開關電源分為，隔離與非隔離兩種形式，在這里主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式，在下文中，非特別說明，均指隔離電源。隔離電源按照結構形式不同，可分 為兩大類：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時，副邊導通，能量釋放到負載的工作狀態(tài)，一般常規(guī)反激式電源單管 多，雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載，能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激，包括單管正激，雙管正 激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。

正激和反激電路各有其特點，在設計電路的過程中為達到最優(yōu)性價比，可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功 率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。

反激式電源因其結構簡單，省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦， 輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢，實現(xiàn)起來有難度。本人認為一般情況下是這樣的，但也不能一概而論，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章介紹反 激電源可做到上千瓦，但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關。

反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲存能量，要 使變壓器鐵芯得到充分利用，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于鐵芯進入飽和非線形狀 態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產生漏磁遠大于完全閉合磁路。

變壓器初次極間的偶合，也是確定漏感的關鍵因素，要盡量使初次極線圈靠近，可采用三明治繞法，但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯，可減小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。

關于反激電源的占空比，原則上軍用電源的最大占空比應該小于0.5，否則環(huán)路不容易補償，有可能不穩(wěn)定，但有一些例外，如美國PI公司推出的 TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的條件下。 占空比由變壓器原副邊匝數(shù)比確定，本人對做反激的看法是，先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值)，在一定電壓范圍內反射電壓提高則 工作占空比增大，開關管損耗降低。

接著談關于反激電源的占空比(本人關注反射電壓，與占空比一致)，占空比還與選擇開關管的耐壓有關，有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管，如 600V或650V作為交流220V 輸入電源的開關管，也許與當時生產工藝有關，高耐壓管子，不易制造，或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性，像這種線路反射電壓不能太高，否則為使 開關管工作在安全范圍內，吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。現(xiàn)在 由于MOS管制造工藝水平的提高，一般反激電源都采用700V或750V甚至 800-900V的開關管。這兩種類型各有優(yōu)缺點：

第一類：缺點抗過壓能力弱，占空比小，變壓器初級脈沖電流大。優(yōu)點：變壓器漏感小，電磁輻射低，紋波指標高，開關管損耗小，轉換效率不一定比第二類低。

第二類：缺點開關管損耗大一些，變壓器漏感大一些，紋波差一些。優(yōu)點：抗過壓能力強一些，占空比大，變壓器損耗低一些，效率高一些。

六、反激電源反射電壓還有一個確定因素

軍用開關電源的反射電壓還與一個參數(shù)有關，那就是輸出電壓，輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大，變壓器漏感越大，開關管承受電壓越高，有可能擊穿開關管、吸收電 路消耗功率越大，有可能使吸收回路功率器件永久失效。在設計低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理，其 處理方法有幾個：

1、 采用大一個功率等級的磁芯降低漏感，這樣可提高低壓反激電源的轉換效率，降低損耗，減小輸出紋波，提高多路輸出電源的交差調整率，一般常見于家電用開關電源，如光碟機、DVB機頂盒等。

2、如果條件不允許加大磁芯，只能降低反射電壓，減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但 有可能使電源轉換效率降低，這兩者是一個矛盾，必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點，在變壓器替代實驗過程中，可以檢測變壓器原邊的反峰電壓，盡量 降低反峰電壓脈沖的寬度，和幅度，可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時比較合適。

3、增強耦合，降低損耗，采用新的技術，和繞線工藝，變壓器為滿足安全規(guī)范會在原邊和副 邊間采取絕緣措施，如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能，現(xiàn)實生產中可采用初級繞組包繞次級的繞法?；蛘叽渭売萌亟^緣線繞制，取消 初次級間的絕緣物，可以增強耦合，甚至可采用寬銅皮繞制。

反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài)，所以磁路需要開氣隙，類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為：由于功 率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線)，在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B)，現(xiàn)在的生產工藝一般飽和點在400mT以上，一般此值 在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X 軸向傾斜，在同樣的磁感應強度下，可承受更大的磁化電流，則相當于磁心儲存更多的能量，此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路，反激電源磁芯 開氣隙有兩個作用。

反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài)，不僅要通過磁耦合傳遞能量，還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心，氣隙太大可使漏感 變大，磁滯損耗增加，鐵損、銅損增大，影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和，導致電源損壞

所謂反激電源的連續(xù)與斷續(xù)模式是指變壓器的工作狀態(tài)，在滿載狀態(tài)變壓器工作于能量完全傳遞，或不完全傳遞的工作模式。一般要根據(jù)工作環(huán)境進行設計，常規(guī)反 激電源應該工作在連續(xù)模式，這樣開關管、線路的損耗都比較小，而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力，但是這也有一些例外。由于制造工藝特點，高反壓二極管，反向恢復時間長，速度低，在電流連續(xù)狀態(tài)，二極管是在有正向偏壓時恢復，反向恢復時的能量損耗非常大，不利于 變換器性能的提高，輕則降低轉換效率，整流管嚴重發(fā)熱，重則甚至燒毀整流管。由于在斷續(xù)模式下，二極管是在零偏壓情況下反向偏置，損耗可以降到一個比較低 的水平。

反激開關電源變壓器應工作在連續(xù)模式，那就要求比較大的繞組電感量，當然連續(xù)也是有一定程度的，過分追求絕對連續(xù)是不現(xiàn)實的，有可能需要很大的磁芯，非常 多的線圈匝數(shù)，同時伴隨著大的漏感和分布電容，可能得不償失。那么如何確定這個參數(shù)呢，通過多次實踐，及分析同行的設計，本人認為，在標稱電壓輸入時，輸 出達到50%~60%變壓器從斷續(xù)，過渡到連續(xù)狀態(tài)比較合適。