【干貨】非常經(jīng)典的開關(guān)電源設(shè)計問題！

ID:140840 · 發(fā)表于 2017-4-27 11:30

問題一

我們小功率用到最多的反激電源，為什么我們常常選擇65K或者100K（這些頻率段附近）作為開關(guān)頻率？有哪些原因制約了？或者哪些情況下我們可以增大開關(guān)頻率？或者減小開關(guān)頻率？

開關(guān)電源為什么常常選擇65K或者100K左右范圍作為開關(guān)頻率，有的人會說IC廠家都是生產(chǎn)這樣的IC，當(dāng)然這也有原因。每個電源的開關(guān)頻率會決定什么？

應(yīng)該從這里去思考原因。還會有人說頻率高了EMC不好過，一般來說是這樣，但這不是必然，EMC與頻率有關(guān)系，但不是必然。想象我們的電源開關(guān)頻率提高了，直接帶來的影響是什么?當(dāng)然是MOS開關(guān)損耗增大，因為單位時間開關(guān)次數(shù)增多了。如果頻率減小了會帶來什么？開關(guān)損耗是減小了，但是我們的儲能器件單周期提供的能量就要增多，勢必需要的變壓器磁性要更大，儲能電感要更大了。選取在65K到100K左右就是一個比較合適的經(jīng)驗折中，電源就是在折中合理化折中進行。

假如在特殊情形下，輸入電壓比較低，開關(guān)損耗已經(jīng)很小了，不在乎這點開關(guān)損耗嗎，那我們就可以提高開關(guān)頻率，起到減小磁性器件體積的目的。

本問關(guān)鍵：如何選擇合適IC的開關(guān)頻率？主流IC的開關(guān)頻率為什么是大概是這么一些范圍？開關(guān)頻率和什么有關(guān)，說的是普遍情況，不是想鉆牛角尖好多IC還有什么不同的頻率。更多的想發(fā)散大家思維去注意到這些問題！

我這里想說的普遍情況，主要想提的是開關(guān)頻率和什么有關(guān)，如何去選擇合適開關(guān)頻率，為什么主流IC以及開關(guān)頻率是這么多，注意不是一定，是普遍情況，讓新手區(qū)理解一般行為，當(dāng)然開關(guān)電源想怎么做都可以，要能合理使用。

1、你是如何知道一般選擇65或者100KHZ,作為開關(guān)電源的開關(guān)頻率的？（調(diào)研普遍的大廠家主流IC，這二個會比較多，當(dāng)然也有一些在這附近，還有一些是可調(diào)的開關(guān)頻率）

2、又是如何在工作中發(fā)現(xiàn)開關(guān)電源開關(guān)頻率確實工作在65KHZ,或100KHZ的。（從設(shè)計角度考量，普遍電源使用這個范圍）

3、有兩張以上的測試65KHZ100KHZ頻率的圖片說明嗎？（何止二張圖片，毫無意義）

4、你是否知道開關(guān)電源可以工作在1.5HZ.（你覺得這樣談有必要，工作沒有什么不可以，純熟鉆牛角尖，做技術(shù)切記鉆牛角尖，那你能談?wù)劄槭裁雌毡殡娫床还ぷ髟?.5HZ，說這個才有意義，你做出1.5HZ的電源純屬毫無意義的事情）

提醒：做技術(shù)人員切記鉆牛角尖，咱們不是校園研究派，是需要將理論與實踐現(xiàn)結(jié)合起來，做出來的產(chǎn)品才是有意義的產(chǎn)品！

問題二

問題三

問題四

問題五

我們選擇拓撲時需要考慮哪些方面的因素？各種拓撲使用環(huán)境及優(yōu)缺點？

設(shè)計電源的第一步不知道大家會想到什么呢?我是這么想，細致研究客戶的技術(shù)指標(biāo)要求，轉(zhuǎn)換為電源的規(guī)格書，與客戶溝通指標(biāo)，不同的指標(biāo)意味著設(shè)計難度和成本，也是對我提出的問題有很大的影響，選擇拓撲時根據(jù)我們的電源指標(biāo)結(jié)合成本來考慮的，哪常用的幾種拓撲特點在哪呢？

這里主要談隔離式，非隔離式應(yīng)用有限，當(dāng)然也是成本最低的。

反激特點：適用在小于150W，理論這么說，實際大于75W就很少用，不談很特殊的情況。反激的有點成本低，調(diào)試容易（相對于半橋，全橋），主要是磁芯單向勵磁，功率由局限性，效率也不高，主要是硬開關(guān)，漏感大等等原因。全電壓范圍（85V-264V）效率一般在80%以下，單電壓達到80%很容易。

正激特點：功率適中，可做中小功率，功率一般在200W以下，當(dāng)然可以做很大功率，只是不常常這么做，原因是正激和反激一樣單向勵磁，做大功率磁芯體積要求大，當(dāng)然采用2個變壓器串并聯(lián)的也有，注意只談一般情形，不誤導(dǎo)新人。正激有點，成本適中，當(dāng)然比反激高，優(yōu)點效率比反激高，尤其采用有源箝位做原邊吸收，將漏感能量重新利用。

半橋：目前比較火的是LLC諧振半橋，中小功率，大功率通吃型。（一般大于100W小于3KW）。特點成本比反激正激高，因為多用了1個MOS管（雙向勵磁）和1個整流管，控制IC也貴，環(huán)路設(shè)計業(yè)復(fù)雜（一般采用運放，尤其還要做電流環(huán)）。優(yōu)點:采用軟開關(guān)，EMC好，效率極高，比正激高，我做過960W LLC,效率可達96%以上（全電壓）（當(dāng)然PFC是采用無橋方式）。其它半橋我不推薦，至少我不會去用，比較老的不對稱橋，很難做到軟開關(guān)，LLC成熟以前用的多，現(xiàn)在很少用，至少艾默生等大公司都傾向于LLC，跟著主流走一般都不會錯。

全橋：一般用在大于2KW以上，首推移相全橋，特點，雙向勵磁，MOS管應(yīng)力小，比LLC應(yīng)力小一半，大功率尤其輸入電壓較高時，一般用移相全橋，輸入電壓低用LLC。成本特別高，比LLC還多用2個MOS。這還不是首要的，主要是驅(qū)動復(fù)雜，一般的IC驅(qū)動能力都達不到，要將驅(qū)動放大，采用隔離變壓器驅(qū)動，這里才是成本高的另一方面。

推挽：應(yīng)用在大功率，尤其是輸入電壓低的大功率場合，特點電壓應(yīng)力高，當(dāng)然電流應(yīng)力小，大功率用全橋還是推挽一般看輸入電壓。變壓器多一個繞組，管子應(yīng)力要求高，當(dāng)然常提到的磁偏磁也需要克服。這個我真沒用過，沒涉及電力電源，很難用到它的時候。

問題六

問題七

電源的環(huán)路設(shè)計，電源哪些部分影響電源的環(huán)路？好的環(huán)路有哪些指標(biāo)決定？

電源的環(huán)路設(shè)計一直是一個難點，為什么這么說，因為主要影響的因素太多，理論計算很難做到準(zhǔn)確，仿真也是基于理想化模型，在這里只談關(guān)于環(huán)路設(shè)計的一些影響因素，從定性的角度去理解環(huán)路以及怎么去做環(huán)路補償。

環(huán)路是基于輸入輸出波動時，需要通過反饋，環(huán)路相應(yīng)告知控制IC去調(diào)節(jié)，維持輸出的穩(wěn)定。電源環(huán)路一般都是串聯(lián)負反饋，有的是電壓串聯(lián)負反饋（CC模式下），有的是電流串聯(lián)負反饋（CV模式下）。

那有哪些地方會影響環(huán)路呢？電路中的零點以及極點。零點一般會導(dǎo)致增益上升，引起90度相移（右半平面零點會引起-90度相移）。極點一般會導(dǎo)致增益下降，引起-90度相移，左半平面極點會引起系統(tǒng)震蕩。所以我們需要借助零點極點補償手段去合理調(diào)控我們的環(huán)路。對于低頻部分，為了滿足足夠增益一般引入零點補償，對于高頻干擾一般引入極點補償去抵消，減少高頻干擾。

環(huán)路穩(wěn)定的原則是：1.在穿越頻率處（即增益為零dB時的頻率），系統(tǒng)的相位余量大于45度。

2.在相位達到-180度時增益的余量大于-12dB.3.避免過快的進入穿越頻率，在進入穿越頻率附近的曲線斜率為-1.

針對一般反激電路：

1.產(chǎn)生零點的有輸出濾波電容：可以使環(huán)路增益上升。(一般在中頻4K左右，對增益有好處，無需補償）

2.若工作在CCM模式下還會產(chǎn)生右半平面零點。在高頻段，可采用極點補償。這個一般很難補償，盡量避免，讓穿越頻率小于右半平面零點頻率（15K左右，隨負載變化會變化），選取。

3.負載會產(chǎn)生低頻極點。采用低頻零點去補償。

4.LC濾波器會產(chǎn)生低頻極點，需要采用零點補償。在心中要清楚哪些零極點是利是弊，針對性補償。

補償?shù)碾娐罚槍﹄娫喘h(huán)路來說比較簡單，一般采用對運放采用2型補償，也有的會采用3型補償很少用。

問題八

問題九

問題十

問題十一

評判一塊電源板LAYOUT好壞有哪些地方能一陣見血發(fā)現(xiàn)？

什么樣的PCB是一塊好的PCB，至少要滿足以下一個方面：1.電性能方面干擾小，關(guān)鍵信號線及底線走的合理，各方面性能穩(wěn)定（前提是電路無缺陷）。2.利于EMC，輻射低，環(huán)路走的合理。3.滿足安規(guī)，安規(guī)距離滿足要求。4.滿足工藝，量產(chǎn)可生產(chǎn)性，以及減小生產(chǎn)成本。5.美觀，布局規(guī)則有序（器件不東倒西歪），走線漂亮美觀，不七彎八繞的。

如何才能做到以上幾點，分享我的布板經(jīng)驗：

1.布局前，了解清楚電源的規(guī)格書，電源的規(guī)格，有無特殊要求，以及要過的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)輸入條件是不是準(zhǔn)確，以及風(fēng)道的確認(rèn)，輸入輸出端口的確認(rèn)，以及主功率流向。

工藝路線選取，根據(jù)器件的密度，以及有無特殊器件，選擇相對應(yīng)工藝路線。

2.布局中，注意合理的布局，保證四大環(huán)路盡可能小，提前預(yù)判后續(xù)走線是否好走。變壓器的擺放基本決定了整體的布局，一定要慎重，放到最佳位置。EMI部分的布局流向清晰，與其它主功率部分有清晰的隔離帶。減少受到主功率開關(guān)器件的干擾。各吸收回路的面積盡可能小，散熱器的長度以及位置要合理，不擋風(fēng)道。

3.走線部分，輸入EMI電路的走線是否滿足安規(guī)，原副邊距離，輸入輸出對大地的距離都要滿足安規(guī)。走線的粗細是否滿足足夠的電流大小，關(guān)鍵信號（例如驅(qū)動信號，采樣信號，地線是否合理），驅(qū)動信號不要干擾敏感信號（高頻信號）；采樣信號是否采樣準(zhǔn)確，是否會受到干擾；地線是否拉得合理（有時需要單點接地，有時需要多點接地跟實際需要有關(guān)），主功率地和信號地嚴(yán)格區(qū)分開，原邊芯片地從采樣電阻取，不要從大電解取（尤其是采樣電阻和大電解地距離遠時），VCC的地前級地回大電解，二級電容地接芯片，反饋信號也單點接IC，地單點接IC。散熱器的地必須接主功率地，不能接信號地等等很多的細節(jié)要求。

問題十二

電源的元器件你懂多少？MOS管結(jié)電容多大，對哪些有影響？RDS跟溫度是什么關(guān)系？肖特基反向恢復(fù)電流影響什么？電容的ESR會帶來哪些影響？

電源中的設(shè)計的器件類型很多，主要有半導(dǎo)體器件如：MOS管，三極管，IC，運放，二極管，光耦等；磁**件：電感，變壓器，磁珠等；電容：Y電容，X電容，瓷片電容，電解電容，貼片電容等；每種器件都有其規(guī)格，極限參數(shù)。

常規(guī)的參數(shù)在我們選型很容易把握，例如選取MOS管，耐壓參數(shù)肯定會考慮，額定電流也會考慮，導(dǎo)通電阻我們會考慮，但還有一些寄生參數(shù)以及一些隨溫度變化特性的參數(shù)卻很少去注意，或者只有在發(fā)現(xiàn)問題的時候才會去找。導(dǎo)通電阻Rds(on)隨溫度升高其阻值是變大的，設(shè)計MOS管損耗時要考慮到其工作的環(huán)境溫度。結(jié)電容影響到我們的開通損耗，也會影響到EMC。

肖特基二極管耐壓，額定電流一般很好注意，有些參數(shù)例如導(dǎo)通壓降在溫度升高時會減小，反向恢復(fù)時間短，不過漏電流大（尤其是考慮到高溫時漏電流影響就更大了），寄生電感會引起關(guān)斷尖峰很高

電容一個重要參數(shù)ESR，在計算紋波時通常會考慮，ESR一般與C的關(guān)聯(lián)是很大的，不過不同廠家的品質(zhì)因素影響也是很巨大，一定要具體分清楚。

一般估算公司可參考：ESR=10/（C的0.73次方），電容在高溫時壽命會縮短，低溫時容量會減小，漏電流也會增加等等；

當(dāng)然器件在特殊情形表現(xiàn)出來的特性差異是值得我們思考的問題，請大家多多思量，對于我們解決特殊情況下的問題非常有幫助。

問題十三

問題十四

問題十五

ID:208704 · 發(fā)表于 2017-6-7 10:15

確實是干貨，這些以前都遇到過，總結(jié)的很到位

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