經(jīng)典指南：你真的了解開關(guān)電源嗎？

　　“我想DIY開關(guān)電源，要具備哪些理論知識(shí)、實(shí)踐技能和工程素質(zhì)??？”

　　“如何從給定的設(shè)計(jì)規(guī)格設(shè)計(jì)出開關(guān)電源？具體步驟是什么？”

　　“開關(guān)電源中的電感、變壓器怎么自己制作？控制芯片如何選型？”

　　“如何選擇磁芯外形、變頻器類型、工作頻率、計(jì)算各種參數(shù)呢？”

　　“如何進(jìn)行優(yōu)化和折中？”

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　　電源是一切電子設(shè)備的心臟，沒有電源，電子設(shè)備就不可能工作。雖然市面上有很多介紹開關(guān)電源的書籍，但仍然缺少快速入門及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)類的資料，所以，盡管資料豐富，但還是有很多人不知道怎樣利用。當(dāng)然這篇文檔只是入門介紹，深入研究還要看其他專著。

　　從電網(wǎng)得到的交流電或由電池取得的直流電是隨環(huán)境溫度、時(shí)間和負(fù)載所變化的，它們不能直接成為電子設(shè)備所需的內(nèi)部電源。電子設(shè)備由于要完成許多高級(jí)的功能，對其供電電源的精度隨環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，還有很多其他的指標(biāo)都有非常高的要求。將電網(wǎng)或電池的一次電能轉(zhuǎn)換為符合電子設(shè)備要求的二次電能，這樣的變換設(shè)備就是我們這里要講的電源。

　　隨著片狀電子元件、表面安裝技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越小型化、輕型化，如何縮小電源的體積減輕重量，提高電源的轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)性，是人們致力于研究的重點(diǎn)。

　　一個(gè)比較好的解決方案是：以輕巧的高頻變壓器取代笨重的工頻變壓器，采用脈沖調(diào)制技術(shù)的直流--直流變換器型穩(wěn)壓電源，即我們馬上就要講到的開關(guān)電源。

　　開關(guān)電源具有管耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，目前已在各種電子儀器和設(shè)備、航空和宇宙飛行器、發(fā)射機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備和電視機(jī)、錄放像機(jī)等中得到了廣泛應(yīng)用。

　　開關(guān)電源按變換方式可分為以下四大類：

　　1、AC/DC 開關(guān)電源

　　2、DC/DC 開關(guān)電源

　　3、DC/AC 逆變器

　　4、AC/AC 變頻器

　　目前只將前面兩類稱為開關(guān)電源，將后面兩類分別稱為逆變器和變頻器。

　　開關(guān)電源按應(yīng)用方式可分為以下三大類：

　　1、外置電源

　　與設(shè)備分開放置的電源模塊或電源系統(tǒng)，如：

　　---通信用一次電源模塊和系統(tǒng)

　　---電力操作電源模塊和系統(tǒng)

　　---手機(jī)電池充電器

　　---筆記本電腦的Adapter

　　---各類手提設(shè)備、便攜設(shè)備的電池充電器等等

　　2、內(nèi)置電源

　　放在設(shè)備內(nèi)部的電源模塊或電源系統(tǒng)，如：

　　---計(jì)算機(jī)內(nèi)部的SilverBox和VRM

　　---家電（如：普通電視機(jī)、等離子電視機(jī)、液晶電視機(jī)）內(nèi)部的供電電源

　　---工業(yè)控制設(shè)備內(nèi)部的電源

　　---儀器中使用的電源

　　---通信設(shè)備內(nèi)部的電源模塊和系統(tǒng)

　　---復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)等的內(nèi)部電源等等

　　3、板上電源

　　放在設(shè)備內(nèi)單板上的電源模塊，如：

　　---標(biāo)準(zhǔn)磚類電源（全磚、半磚、1/4磚、1/8磚）

　　---非隔離POL（Point of Load 負(fù)載點(diǎn)）變換器

　　---VRM（Voltage regulator module電壓調(diào)節(jié)模塊）和VRD（Voltage regulator down）

　　---小功率SMD電源

　　---SIP和DIP電源等等

　　開發(fā)一個(gè)開關(guān)電源產(chǎn)品所需要的基本技能：

　　1、認(rèn)識(shí)組成開關(guān)電源的所有元器件

　　2、掌握各種元器件的電氣性能和電路符號(hào)

　　3、會(huì)自己制作各種磁芯元件

　　4、會(huì)正確裝配電源中的各個(gè)部分

　　5、了解電源各項(xiàng)指標(biāo)的意義并掌握如何測試的方法

　　6、會(huì)使用儀器對裝配后的電源進(jìn)行正確的調(diào)試，優(yōu)化和折中

　　7、會(huì)對獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并進(jìn)行總結(jié)

　　8、會(huì)從不同渠道不斷地學(xué)習(xí)電源知識(shí)并能夠和別人交流

　　開發(fā)一個(gè)開關(guān)電源產(chǎn)品所需要的專業(yè)理論知識(shí)：

　　1、有源PFC的拓?fù)浞治?，控制與設(shè)計(jì)

　　2、DC/DC功率變換器的拓?fù)渑c穩(wěn)態(tài)分析

　　3、開關(guān)電源的功率級(jí)參數(shù)設(shè)計(jì)

　　4、開關(guān)電源的控制與動(dòng)態(tài)分析

　　5、開關(guān)電源的小信號(hào)分析與設(shè)計(jì)

　　6、開關(guān)電源的大信號(hào)分析與設(shè)計(jì)

　　7、開關(guān)電源的EMI分析與設(shè)計(jì)

　　8、開關(guān)電源的熱分析與設(shè)計(jì)

　　9、開關(guān)電源的容差分析與設(shè)計(jì)

　　10、開關(guān)電源的各種保護(hù)技術(shù)

　　11、開關(guān)電源的同步整流技術(shù)

　　12、開關(guān)電源的模塊均流控制技術(shù)

　　有些技術(shù)很成熟了，只要查表或者使用現(xiàn)成電路或?qū)Ｓ眯酒涂梢宰龊?。EMI比較困難，因?yàn)樵匦詴?huì)變化。

　　ATX電源

　　一個(gè)非常容易找到的開關(guān)電源就是PC機(jī)里用的ATX電源了。拆開電源可以看到里面的構(gòu)造：

　　1、220V 50HZ交流輸入

　　2、保險(xiǎn)管

　　3、交流互感濾波（對高于50HZ高次諧波濾波，避免對后面電路的高頻干擾）

　　4、二極管橋式整流電路

　　5、濾波電容

　　6、開關(guān)管

　　7、開關(guān)變壓器

　　8、輔助電源（為電源監(jiān)控部件、保護(hù)電路、控制電路等電路供電。）

　　9、開關(guān)激勵(lì)脈沖形成電路（集成電路TL494和LM339比較器，開關(guān)振蕩穩(wěn)壓控制，控制開關(guān)管）

　　10、光耦/激勵(lì)變壓器（將激勵(lì)脈沖送到開關(guān)管的橋梁）

　　11、高頻濾波電感和電容（濾除高次諧波）

　　12、直流電壓輸出

　　ATX接口定義：（有防插反缺口）

　　ATX主板電源接口

　　+3.3VDC +3.3VDC COM +5VDC COM +5VDC COM PWR_OK +5VSB +12VDC

　　+3.3VDC -12VDC COM PS_ON# COM COM COM -5VDC +5VDC +5VDC

　　硬盤、光驅(qū)電源接口

　　+12VDC COM COM +5VDC

　　軟驅(qū)電源接口

　　+5VDC COM COM +12VDC

　　AUX電源接口

　　COM COM COM +3.3VDC +3.3VDC +5VDC

　　p4主板12V電源接口

　　COM COM

　　+12VDC +12VDC

　　ATX采用顏色區(qū)分，僅憑顏色就可以知道電壓值：

　　白色 -5V

　　紅色 +5V

　　黑色 地

　　黃色 +12V

　　藍(lán)色 -12V

　　橙色 +3.3V

　　灰色 POW_OK +5V 開機(jī)自檢啟動(dòng)信號(hào)

　　紫色 +5VSB 待機(jī)電源

　　綠色 PS_ON# +5V 電源啟?？刂?/p>

　　幾個(gè)控制信號(hào)的說明：

　　POW_OK信號(hào)（在AT電源中及部分電源板上稱P.G信號(hào)）為微機(jī)開機(jī)自檢啟動(dòng)信號(hào)，為了防止開機(jī)時(shí)各路輸出電路時(shí)序不定，CPU或各部件未進(jìn)入初始化狀態(tài)造成工作錯(cuò)誤及突然停電時(shí)，硬盤磁頭來不及移至著陸區(qū)造成盤片劃傷，微機(jī)電源中均設(shè)置了POW_OK信號(hào)。

　　PS_ON#信號(hào)：ATX電源最主要的特點(diǎn)就是，它不采用傳統(tǒng)的市電開關(guān)來控制電源是否工作，而是采用“＋5VSB、PS_ON#”的組合來實(shí)現(xiàn)電源的開啟和關(guān)閉，只要控制 “PS_ON#”信號(hào)電平的變化，就能控制電源的開啟和關(guān)閉。電源中的S-ON控制電路接受PS_ON#信號(hào)的控制，當(dāng)“PS_ON#”小于1V伏時(shí)開啟電源，大于4.5伏時(shí)關(guān)閉電源。主機(jī)箱面上的觸發(fā)按鈕開關(guān)（非鎖定開關(guān)）控制主板的“電源監(jiān)控部件”的輸出狀態(tài)，同時(shí)也可用程序來控制“電源監(jiān)控件”的輸出，如在WIN9X平臺(tái)下，發(fā)出關(guān)機(jī)指令，使“PS_ON#”變?yōu)椋?V，ATX電源就自動(dòng)關(guān)閉。

　　+5VSB：待機(jī)電源，上電后一直存在，該輸出連接到ATX主板的“電源監(jiān)控部件”，作為它的工作電壓，使操作系統(tǒng)可以直接對電源進(jìn)行管理。通過此功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開機(jī)，完成電腦喚醒功能。

　　ATX電源需要短接PS_ON#和COM（即ATX主板電源接口的14腳和15腳短接）才能啟動(dòng)（此時(shí)電源散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)）。

　　開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

　　開關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源中的核心部件，作用有三：磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換和絕緣隔離。由于開關(guān)變壓器的工作頻率很高，因此它的體積和重量比工頻變壓器大為縮小，同時(shí)變壓器的分布參數(shù)亦不能忽略。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮磁芯材料選擇，磁芯與線圈的結(jié)構(gòu)，繞制工藝等。

　　開關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài)，分布參數(shù)有漏感、分布電容和電流趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的要求提出漏感和分布電容限定值，在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，而趨膚效應(yīng)則作為選擇導(dǎo)線規(guī)格的條件之一。

　　開關(guān)電源變壓器的工作狀態(tài)與開關(guān)型功率變換器的電路形式有關(guān)，一般根據(jù)功率大小，使用要求，采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式，開關(guān)電源變壓器工作狀態(tài)也不同，對開關(guān)電源變壓器也提出了不同的設(shè)計(jì)要求。

　　變換器形式有：雙極性（推挽式、全橋式、半橋式），單端正激式，單端反激式等。

　　開關(guān)電源變壓器中使用的是軟磁材料。比如：鐵氧體材料。鐵氧體材料很容易加工成各種形狀，可根據(jù)開關(guān)變壓器的電路類型、使用要求、功率等級(jí)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等選用合適的磁芯形狀。磁芯型號(hào)主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每種型號(hào)又有很多尺寸規(guī)格可以選擇。

　　開關(guān)電源變壓器參數(shù)計(jì)算：漏感計(jì)算、分布電容計(jì)算、穿透深度（導(dǎo)線選擇）、交流電阻計(jì)算、電流有效值。

　　開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)內(nèi)容：

　　1、磁芯規(guī)格

　　2、匝數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格

　　3、損耗與溫升

　　4、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)：多股線或扁平線

　　5、繞組結(jié)構(gòu)：多層或分段饒制

　　6、端空設(shè)計(jì)：按絕緣電位設(shè)計(jì)端空

　　設(shè)計(jì)條件：

　　1、電路形式：給出變換器的形式，輸入輸出電路及所用元器件

　　2、工作頻率或周期

　　3、變換器輸入最高、最低電壓

　　4、輸出電壓和電流

　　5、開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間

　　6、開關(guān)管導(dǎo)通電壓降及整流二極管正向電壓降

　　7、隔離電位

　　8、要求的漏感或分布電容

　　9、溫升要求

　　10、磁芯形狀

　　11、工作環(huán)境條件

　　設(shè)計(jì)參數(shù)的確定：

　　1、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J

　　磁感應(yīng)強(qiáng)度B、變壓器銅耗Pm、電流密度J

　　2、變壓器和線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　銅線占空系數(shù)、平均匝長、變壓器表面積、磁芯結(jié)構(gòu)常數(shù)

　　鐵氧體材料的開關(guān)電源變壓器采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過查表的方法簡化工作量。

　　表格包含了如下信息：

　　變換器類型

　　工作頻率

　　變壓器溫升

　　磁芯規(guī)格

　　技術(shù)指標(biāo)

　　直流功率、增量磁感、剩余磁感、電流密度、電壓調(diào)整率、電感系數(shù)

　　損耗指標(biāo)

　　磁芯損耗、線圈銅耗、散熱面積、單位損耗、效率

　　結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)常數(shù)、平均匝