工程師不可不知的開關電源關鍵設計（二）

　　1：常用的開關電源的原理——單端自激boost升壓電路

　　如上圖，開關電源利用電感電流不能瞬間改變的原理，用ctrl信號打開三極管，使得Vin通過電感和三極管向地流動。由于電感電流不能突變，因此，這個回路不能理解成短路，應理解成給電感充能。充能是通過電感流過的電流不斷增大體現的，電流越大，電感的儲能越多。

　　當電感電流增加到一定程度，用ctrl關閉三極管。則電感電流的回地的路就被切斷。同樣由于電感電流不能突變，因此，電流就會通過二極管流向電容。這樣就完成一次電感通過二極管給電容充電的過程。Ctrl信號周期性不停止的復現，宏觀上就形成從vin不斷流向電容的電流。這個過程與vout和vin電壓孰高孰低無關。意味著可升壓，也可降壓。

　　上面說的切斷電感電流，迫使電流流向改變，一般叫做“反激”，上圖的電感只有一個，反激點只有一個，叫做單端。有的電路用2個電感，交替進行電流流動。做直流逆變交流時，一般用2個電感，形成推挽效果。

　　2：如何實現穩(wěn)壓

　　上圖是原理。由于vout的負載不確定，因此，vout不可能穩(wěn)定在我們期望的電壓上，可能是升壓，也可能是降壓。解決這個問題的辦法是利用vout的電壓進行反饋。當vout電壓低于期望值時，反饋信號就會調整ctrl，使它打開三極管的時間相對延長。則電感充能更多，從而使vout上升。反過來也一樣。

　　這樣ctrl信號就有了個名字，叫pwm。一般是改變它的占空比。當vout電壓不夠時，增加pwm信號占空比，使得更多的電能流向vout。

　　3：占空比

　　從原理容易理解，pwm信號不能達到100%占空比，那樣就真的短路了。當pwm信號占空比大到一定程度時，也就是剛好有時間讓三極管能開關時，電感的充能達到極大值。這個電能必須能滿足后續(xù)電路的消耗。這樣就能使vout穩(wěn)定在我們需要的電壓上。

　　4：實用電路

　　有許多成熟芯片提供Pwm信號的產生，并提供反饋電壓調整pwm的占空比，這類芯片叫開關電源芯片，是專門用來設計開關電源的。下圖附一個成熟電路，是筆者在工程中應用的。

　　這個芯片把三極管集成到芯片內部，因此應用比較簡單。因為它能提供的電流很小，是給lcd供電的。+12V后面還有一個10uF/25V的電容。

　　5：設計開關電源要注意的幾個問題

　　A：注意電感的選擇，應參照芯片資料，切忌理解成輸出電流多大就用多大的電感，這是許多新手容易理解錯的地方。例如，輸出電流是0.5A，電感可不要選0.5A的哦，要按資料來選，一般是1A左右。如果電感的電流參數選小了，會很熱。二極管也一樣，電流參數不能按最終輸出電流選。電感值的大小涉及到飽和電流的問題，即電流大到一定程度后呈現飽和狀態(tài)，電流則會瞬間增大，不再受電流不能突變的約束。因此選擇電感時，可以比資料的推薦值稍大一些。因為電感的誤差比較大，市場常見的電感是±20%，所以寧大勿小的原則。買電感時要注意。

　　B：第1節(jié)的圖里的三極管，從原理易得：其導通電阻越小越好，開關響應越快越好。這2個因素是決定效率的最主要的2個方面。一般選擇mos管，要注意mos管的導通電阻和柵極寄生電容。芯片的輸出能否驅動得了柵極，如果驅動柵極的能力不夠，應使用LM5111等驅動芯片。

　　C：開關電源的噪聲比較大，尤其它是給后續(xù)電路提供電源的，這使得后續(xù)電路的電源從骨子里就帶噪聲。這種噪聲的消除，需要使用濾波電路，必要時用π型濾波。濾波要消耗電能，這與要達到的穩(wěn)壓效果成為一對矛盾，需要工程師權衡為達到某效果需要付出多大的濾波消耗。在開關電源后面串聯(lián)線性電源(例如7805等)不能顯著消除噪聲。一味加大電容也不是辦法，噪聲仍然能夠通過。不要期望既不付出電能消耗，又能消除噪聲。但是串聯(lián)電感器件的濾波電路確實更加節(jié)省一些。

　　D：開關電源兩端隔離的做法是用3個線圈共軛，一個用于自激充能，一個用于輸出，一個用于電壓反饋。值得一提的是，這種隔離不能消除開關引起的各種噪聲。噪聲會沿著共軛電感傳遞，而且噪聲的損耗很小。由于電壓反饋變成非直接的反饋，這種電源一般具有較大的誤差，但精度受影響很小，一般都帶輸出電壓調整。市場常見的模塊電源一般都帶電壓微調。

　　E：開關電源的地的布線。為了減少噪聲，需給噪聲盡量短的回地路線。第1節(jié)的圖中用了2個地符號。這2個地最終要接在一起，需要注意的是，vout后端有個電容，在這個電容的負端把2個地接在一起。這樣，開關芯片的噪聲能最大程度的消耗在自己那邊，能大大改善vout的噪聲。

　　F：設計開關電源時，功率設計要至少保留1倍的余地，例如設計5V1A的開關電源，最大功率輸出要能達到2A。不要按需求設計成1A的，那樣會使pwm占空比接近最大值，電感、mos管等都會發(fā)熱。一般掌握在穩(wěn)定輸出時，pwm在50%或稍小為宜。這樣整個電路工作在一個“比較舒服”的情況下，噪聲、發(fā)熱等各方面綜合性能都比較好。

　　G：開關電源的保護。從第1節(jié)的圖可以看出，當某種原因造成ctrl電平為常高時，會導致電感和三極管燒毀。Ctrl常低還好些，但是vin會串到vout上，對后續(xù)電路造成欠壓供電。常用的保護是在vin前端串聯(lián)一個過流保護器件，它一般是熱保護，電流過大會斷開。過一會兒又導通。

四、開關電源的熱設計方法解析

　　開關電源已普遍運用在當前的各類電子設備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高達數百瓦每立方英寸.由于開關電源中使用了大量的大功率半導體器件,如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場效應管等器件。它們工作時會產生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時地排出并使之處于一個合理的水平將會影響開關電源的正常工作,嚴重時會損壞開關電源.為提高開關電源工作的可靠性,熱設計在開關電源設計中是必不可少的重要一個環(huán)節(jié)。

　　1.熱設計中常用的幾種方法

　　為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去,一般從以下幾個方面進行考慮: 使用散熱器、冷卻風扇、金屬pcb、散熱膏等.在實際設計中要針對客戶的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。

　　2.半導體器件的散熱器設計

　　由于半導體器件所產生的熱量在開關電源中占主導地位,其熱量主要來源于半導體器件的開通、關斷及導通損耗.從電路拓撲方式上來講,采用零開關變換拓撲方式產生諧振使電路中的電壓或電流在過零時開通或關斷可最大限度地減少開關損耗但也無法徹底消除開關管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.

　　2.1 散熱器的熱阻模型

　　由于散熱器是開關電源的重要部件,它的散熱效率高與低關系到開關電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導率比鋁高2倍但其價格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示

　　半導體結溫公式如下式如示：

　　pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a　(w)　-----------------------(1)

　　pcmax(tc)= (tjmax-tc)/θj-c　(w)　-----------------------(2)

　　pc: 功率管工作時損耗

　　pc(max): 功率管的額定最大損耗

　　tj: 功率管節(jié)溫

　　tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫

　　ta: 環(huán)境溫度

　　tc: 預定的工作環(huán)境溫度

　　θs : 絕緣墊熱阻抗

　　θc : 接觸熱阻抗(半導體和散熱器的接觸部分)

　　θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)

　　θi : 內部熱阻抗(pn結接合部與外殼封裝)

　　θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

　　根據圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:

　　θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)

　　又因為θb比θs +θc+θf大很多,故可近似為

　　θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)

　?、賞n結與外部封裝間的熱阻抗(又叫內部熱阻抗) θi是由半導體pn結構造、所用材料、外部封裝內的填充物直接相關.每種半導體都有自身固有的熱阻抗.