電源工程師設(shè)計全攻略（二）--開關(guān)電源設(shè)計

　　幾種經(jīng)典的開關(guān)電源電路

　　1、感性開關(guān)式電源電路圖

　　如圖所示，555和R1、R2、C1組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，振蕩頻率約在10kHz，占空比接近50%。VT2、VT3作為擴(kuò)大電流用的開關(guān)管使用。當(dāng)振蕩方波為高電平時，VT2、VT3導(dǎo)通，向LC放電;為低電平時，L中的儲能通過續(xù)流二極管回路向負(fù)載供電。當(dāng)過壓時，DW擊穿，VT1飽和導(dǎo)通，c極呈低電平(<0.7V)，使555復(fù)位、停振，起穩(wěn)壓和動態(tài)平衡作用。

　　2、5V不間斷電源

　　電池電壓GB為3.6V，由三節(jié)AANiCd電池組成。IC1位開關(guān)穩(wěn)壓器，IC2位線性穩(wěn)壓器。當(dāng)輸入電壓Vin》7.3V，IC1將關(guān)斷，在此情況下有IC2提供輸出電壓。Vin則通過VD1和R1以浮充電流對GB進(jìn)行充電。當(dāng)Vin<7.3V時，IC2則處于關(guān)斷狀態(tài)，IC1將3.6V電池電壓升到5V，負(fù)載電流為50mA。IC2帶有低電池電壓監(jiān)測器，并由R6、R7對Vin進(jìn)行檢測。監(jiān)測器在7腳的輸出驅(qū)動倒相器VT1，VT1又反過來驅(qū)動IC1和IC2的6腳及5腳兩個關(guān)斷輸入腳。這兩個輸入具有相反的極性電平。IC1和IC2公用反饋電阻R2和R3使兩個穩(wěn)壓器對輸出電壓V0都能進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)IC2關(guān)斷，其輸出被切斷。當(dāng)IC1關(guān)斷，芯片維持低功率狀態(tài)，消耗電流小于1微安。在工作狀態(tài)IC1對50mA的負(fù)載提供75%的總效率。只要正確設(shè)定限流電阻R1的阻值，就能使浮充電流電荷量不超過電池容量的10%，Vin可高達(dá)17V。

　　3、高耐壓PWM開關(guān)電源

　　本電源為簡單的5V、5W開關(guān)電源。圖中TOP210(IC)為PWM開關(guān)。IC中含有PWM控制器，功率MOSFET和各種保護(hù)電路，這種5V、5W開關(guān)電源的成本比常用的線性電源成本低。

　　交流輸入電壓經(jīng)VD1~VD2整流后的直流高壓，加到變壓器T初級線圈的一端，初級線圈的另一端加到TOP210內(nèi)部輸出MOSFET的漏極。VD2和VD6組成的箝位電路，把電壓器T漏感引起的脈沖前沿尖峰電壓限制到安全值。本電源工作頻率為100kHz。變壓器T次級電壓級VD7整流和C4、C5、L2濾波后，輸出5V的穩(wěn)定電壓。L1、C1、C6、C7用來減小傳導(dǎo)輻射電流，以減小開關(guān)電源產(chǎn)生的射頻干擾。反饋線圈兩端電壓經(jīng)VD8整流，R1、C3濾波后，加到TOP210的控制腳，C3兩端電壓有TOP210來調(diào)整，以便穩(wěn)定輸出電壓。

　　4、調(diào)頻燈的開關(guān)穩(wěn)壓電源

　　本電源在光學(xué)儀器和設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛，其范圍主要包括光學(xué)教學(xué)儀器。如投影儀、幻燈機(jī)、放映機(jī)、等。光學(xué)影像設(shè)備如放大機(jī)、印像機(jī)曝光機(jī)、高速攝影機(jī)等。光學(xué)分析儀器，如顯微鏡、放大鏡、分光光度計、光譜儀等。

　　電路原理如圖所示，電容C1、C2、C3和共模電感T1組成的共模濾波器，可將電源內(nèi)部主變換器產(chǎn)生的高頻信號對電網(wǎng)(220V，50Hz)的影響和污染降到最低，二極管VD1~VD4及電解電容C4組成的全波整流濾波電路，將220V、50Hz變成300V的直流電壓，用以作電路的電源。主變換器有開關(guān)功率管VT1和VT2、電容C6和C10、變壓器T2和T3等外圍元件組成，電路形式為半橋型自激式。

　　5、低噪聲開關(guān)電路原理圖

　　電路如圖所示，該電路可以獲得更大的輸出功率，只需更改部分器件。圖中左邊的電路R1，L1，D1，C1至C7是常規(guī)的共模濾波和整流電路，獲取約 300V的直流電壓供DC-DC變換電路使用;最右邊電路L5，C11等是普通的LC濾波電路;IC2，D8，R9，R10組成電壓反饋電路，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電源輸出電壓;中間部分是DC-DC變換器，降噪聲的關(guān)鍵是對這一部分的電路進(jìn)行適當(dāng)處理。

　　開關(guān)電源電磁干擾的抑制

　　開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，內(nèi)部會產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率，導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾信號不僅對電網(wǎng)造成污染，還直接影響到其他用電設(shè)備甚至電源本身的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，造成電磁污染，制約著人們的生產(chǎn)和生活。

　　1、無源濾波技術(shù)

　　無源濾波電路簡單，成本低廉，工作性能可靠，是抑制電磁干擾的有效方式。無源濾波器由電感、電容、電阻元件組成，其直接作用是解決傳導(dǎo)發(fā)射。開關(guān)電源中應(yīng)用的無源濾波器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　由于原電源電路中濾波電容容量大，整流電路中會產(chǎn)生脈沖尖峰電流，這個電流由非常多的高次諧波電流組成，對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾;另外電路中開關(guān)管的導(dǎo)通或截止、變壓器的初級線圈都會產(chǎn)生脈動電流。由于電流變化率很高，對周圍電路會產(chǎn)生出不同頻率的感應(yīng)電流，其中包括差模和共模干擾信號，這些干擾信號可以通過 2根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路和干擾其他的電子設(shè)備。圖中差模濾波部分可以減少開關(guān)電源內(nèi)部的差模干擾信號，又能大大衰減設(shè)備本身工作時產(chǎn)生的電磁干擾信號傳向電網(wǎng)。又根據(jù)電磁感應(yīng)定律，得E=Ldi/dt，其中：E為L兩端的電壓降;L為電感量;di/dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小，則要求電感量就越大。

　　脈沖電流回路通過電磁感應(yīng)其他電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的干擾信號為共模信號;開關(guān)電源電路中開關(guān)管的集電極與其他電路之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，電路會產(chǎn)生位移電流，而這個位移電流也屬于共模干擾信號。圖1中共模濾波器就是用來抑制共模干擾，使之受到衰減。

　　2 、有源濾波技術(shù)

　　有源濾波技術(shù)是抑制共模干擾的一種有效方法。該方法從噪聲源出發(fā)而采取的措施(如圖2所示)，其基本思想是設(shè)法從主回路中取出一個與電磁干擾信號大小相等、相位相反的補償信號去平衡原來的干擾信號，以達(dá)到降低干擾水平的目的。如圖2所示，利用晶體管的電流放大作用，通過把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來濾波。R1，C2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極的紋波也很小。由于C2的容量小于C3，減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。另外，在設(shè)計和選用濾波器時應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝位置要恰當(dāng)，安裝方法要正確，才能對干擾起到預(yù)期的濾波作用。

　　3、共模、差模電源線濾波器設(shè)計

　　電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關(guān)電源EMI濾波器基本電路如圖所示。一個合理有效的開關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖中CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。

　　共模電感L1是在同一個磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個繞組中流過時為一進(jìn)一出，產(chǎn)生的磁場恰好抵消，使得共模電感對市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個繞組時，產(chǎn)生的磁場同相疊加，使得共模電感對干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。

　　實際使用中共模電感兩個電感繞組由于繞制工藝的問題會存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個∏型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。

　　除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1及 CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實際情況來定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計算電容 CY漏電流的公式是：ID=2πfCYVcY，式中：ID為漏電流，f為電網(wǎng)頻率。

　　一般裝設(shè)在可移動設(shè)備上的濾波器，其交流漏電流應(yīng)《1mA;若為裝設(shè)在固定位置且接地的設(shè)備上的電源濾波器，其交流漏電流應(yīng)<3.5mA，醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范，電容CY的大小受到了限制，一般為2.2～33nF。電容類型一般為瓷片電容，使用中應(yīng)注意在高頻工作時電容器CY與引線電感的諧振效應(yīng)。

　　差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成，最簡單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路(如圖6中電容CX1)，只要電容選擇適當(dāng)，就能對高頻干擾起到抑制作用。該電容對高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對工頻信號的阻抗很高，故對工頻信號的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級，并能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.01～0.1μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

　　4、屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)

　　采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。屏蔽一般分為2種：一種是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響;另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽技術(shù)分為對發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開關(guān)電源中，可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等，通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽，以使電磁波產(chǎn)生衰減。

　　此外，為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射向外部發(fā)散，為了減少電磁干擾對其他電子設(shè)備的影響，應(yīng)采取整體屏蔽。可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對電磁場進(jìn)行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時應(yīng)充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入/輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露，且不易散熱，結(jié)構(gòu)成本大幅度增加等因素。

　　為使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用，加強(qiáng)屏蔽效果，同時保障人身和設(shè)備的安全，應(yīng)將系統(tǒng)與大地相連，即為接地技術(shù)。接地是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個接地面之間建立導(dǎo)電的通路設(shè)計。這一過程是至關(guān)重要的，將接地和屏蔽正確結(jié)合起來可以更好地解決電磁干擾問題，又可提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力。在地線設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

　　(1)、正確選擇單點接地通常，濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點，同一級電路的接地點應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因?qū)嶋H流過的線路的阻抗會導(dǎo)致電路各部分地電位的變化而引入干擾;

　　(2)、量加粗接地線 若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線，盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線>電源線>信號線，如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm，也可用大面積銅層作地線用，在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用;

　　(3)輸入地與輸出地本開關(guān)電源中為低壓的DC-DC，欲將輸出電壓反饋回變壓器的初級，兩邊的電路應(yīng)有共同的參考地，所以在對兩邊的地線分別鋪銅之后，還要連接在一起，形成共同的地。