開關(guān)電源的技術(shù)應(yīng)用月盤點(diǎn)

開關(guān)電源的應(yīng)用越來越多，相關(guān)技術(shù)也在不斷的進(jìn)步和穩(wěn)定。許多剛投身于此的工程師或者畢業(yè)生，或許需要對(duì)此有一個(gè)新的，普及型的認(rèn)知。本文整理了近一個(gè)月的開關(guān)電源資料，希望能給從業(yè)者帶來幫助。

　　開關(guān)電源技術(shù)四大發(fā)展趨勢(shì)

　　目前中國(guó)制造的開關(guān)電源占了世界市場(chǎng)的80%，但是高端市場(chǎng)上幾乎沒有我們的份額。我國(guó)目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，所以需要政府以及學(xué)會(huì)團(tuán)體應(yīng)該在幾個(gè)方面給電源的發(fā)展方向作出指導(dǎo)。

　　一、非隔離DC/DC技術(shù)迅速發(fā)展

　　近年來，非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。目前一套電子設(shè)備或電子系統(tǒng)由于負(fù)載不同，會(huì)要求電源系統(tǒng)提供多個(gè)電壓擋級(jí)。如臺(tái)式PC機(jī)就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機(jī)的+5V電壓，主機(jī)板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC，它們基本上可以分成兩大類。一類在內(nèi)部含有功率開關(guān)元件，稱DC/DC轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開關(guān)，需要外接功率MOSFET，稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉(zhuǎn)成負(fù)壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相?？刂品绞缴弦訮WM為主，少部分為PFM。

　　在非隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)中，TI公司的預(yù)檢測(cè)柵驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)控制同步BUCK，采用這種技術(shù)的DC/DC轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到97%，其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品。BOOST升壓方式也出現(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域，增加效率的幅度很大，而且正在設(shè)法進(jìn)一步消除MOSFET的體二極管的導(dǎo)通及反向恢復(fù)問題。

　　二、開關(guān)電源吹響數(shù)字化號(hào)角

　　目前在整個(gè)的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)等都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個(gè)沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域了。近年來，數(shù)字電源的研究勢(shì)頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢(shì)，又兼并了PWMIC專業(yè)制造商UNITRODE公司，該公司已經(jīng)用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊，其中PFC和PWM部分完全為數(shù)字式控制。

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　　開關(guān)電源的合理設(shè)計(jì)

　　開關(guān)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(guān)電源的拓?fù)湫问?，在下文中，非特別說明，均指隔離電源。隔離電源按照結(jié)構(gòu)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(dǎo)通時(shí)副邊截止，變壓器儲(chǔ)能。原邊截止時(shí)，副邊導(dǎo)通，能量釋放到負(fù)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(dǎo)通同時(shí)副邊感應(yīng)出對(duì)應(yīng)電壓輸出到負(fù)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(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路的過程中為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比，可以靈活運(yùn)用。一般在小功率場(chǎng)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(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省掉了一個(gè)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(yīng)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(shì)，實(shí)現(xiàn)起來有難度。本人認(rèn)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(shí)物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關(guān)。

　　反激電源變壓器漏感是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲(chǔ)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(jìn)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(chǎn)生漏磁遠(yuǎn)大于完全閉合磁路。

　　脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關(guān)管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關(guān)管返回電容負(fù)。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接近開關(guān)電源輸入端，輸入線應(yīng)避免與其他電路平行，應(yīng)避開。Y電容應(yīng)放置在機(jī)殼接地端子或FG連接端。共摸電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。

　　輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應(yīng)靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果應(yīng)優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解電容保持一定距離，以延長(zhǎng)整機(jī)壽命，電解電容是開關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進(jìn)風(fēng)口。

PCB布線的一些原則印制板設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對(duì)核心電路重點(diǎn)防護(hù)，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號(hào)采用光電隔離，設(shè)計(jì)隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分（如時(shí)鐘電路、通訊電路等）和容易被干擾的部分（如模擬采樣電路等），對(duì)這兩種類型的電路分別采取措施。對(duì)于干擾元件采取抑制措施，對(duì)敏感元件采取隔離和保護(hù)措施，并且將它們?cè)诳臻g和電氣上拉開距離。在板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意元器件放置要遠(yuǎn)離印制板邊沿，這對(duì)防護(hù)空氣放電是有利的。

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　　淺談綠色開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

　　早期的開關(guān)電源由于技術(shù)不太成熟、器件性能的局限性，一些參數(shù)做得不太好像EMC難過關(guān)、待機(jī)功耗較大、效率不太高等。電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。

　　因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。各種運(yùn)行的電力設(shè)備之間以電磁傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)和電磁輻射三種方式彼此關(guān)聯(lián)并相互影響，在一定的條件下會(huì)對(duì)運(yùn)行的設(shè)備和人員造成干擾、影響和危害。

　　20世紀(jì)80年代興起的電磁兼容EMC學(xué)科以研究和解決這一問題為宗旨，主要是研究和解決干擾的產(chǎn)生、傳播、接收、抑制機(jī)理及其相應(yīng)的測(cè)量和計(jì)量技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)最合理的原則，對(duì)產(chǎn)生的干擾水平、抗干擾水平和抑制措施做出明確的規(guī)定，使處于同一電磁環(huán)境的設(shè)備都是兼容的，同時(shí)又不向該環(huán)境中的任何實(shí)體引入不能允許的電磁擾動(dòng)。

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，器件的性能提高，特別是節(jié)能型電源芯片如雨后春筍般涌現(xiàn)，加上電路設(shè)計(jì)的成熟，要設(shè)計(jì)效率高、待機(jī)功耗小的節(jié)能型開關(guān)電源已是不太難的事情，設(shè)計(jì)節(jié)能型開關(guān)電源正是適應(yīng)了節(jié)能減排的需求。

　　本人現(xiàn)在以圖一的電路圖為例，以美國(guó)加州能源之星法案(Ⅳ等級(jí))Table U-2(2008年1月執(zhí)行)為設(shè)計(jì)依據(jù)來闡述設(shè)計(jì)綠色開關(guān)電源的要點(diǎn)。美國(guó)加州能源之星法案(Ⅳ等級(jí))Table U-2的要求如下：

　　注意1：表中Pn是外置型開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率，Ln是自然對(duì)數(shù)。

　　注意2：美國(guó)加州“能源之星”是強(qiáng)制執(zhí)行的，是美國(guó)加州地方法規(guī)。進(jìn)入美國(guó)加州的商品開關(guān)電源必須遵守這一法規(guī)。我國(guó)不少廠商是按照美國(guó)加州“能源之星”法案來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)綠色開關(guān)電源的。

　　圖一所示是輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開關(guān)電源，作為14英寸至17英寸的液晶顯示器的電源適配器之用。

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　　熱設(shè)計(jì)中常用的幾種方法

　　開關(guān)電源已普遍運(yùn)用在當(dāng)前的各類電子設(shè)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(dá)數(shù)百瓦每立方英寸。由于開關(guān)電源中使用了大量的大功率半導(dǎo)體器件，如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管等器件。它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量， 如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì)影響開關(guān)電源的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開關(guān)電源。為提高開關(guān)電源工作的可靠性，，熱設(shè)計(jì)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　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(gè)方面進(jìn)行考慮： 使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬PCB、散熱膏等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中要針對(duì)客戶的要求及最佳費(fèi)/效比合理地將上述幾種方法綜合運(yùn)用到電源的設(shè)計(jì)中。

　　半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)

由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位，其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通