開關(guān)電源設(shè)計(jì)詳解

摘要

1 評(píng)估設(shè)計(jì)要求（指標(biāo)）

2 主電路方案選擇

3 元器件設(shè)計(jì)方法

4 各種模式Flyback 電路設(shè)計(jì)

5 損耗分析及機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

6 PCB布板和EMI

評(píng)估設(shè)計(jì)指標(biāo)

1、輸入?yún)?shù)：輸入電壓大小，交流還是直流，相數(shù)，頻率等。

• 國際電壓等級(jí)有單相120Vac，220Vac，230Vac等。國際通用的交流電壓范圍為85～265V。一般包括輸入電壓額定值及其變化范圍；

• 3kW以下功率常選用單相輸入，5kW以上選用三相輸入；

• 工業(yè)用電頻率一般為50Hz或者60Hz,航空航天電源、船舶用電為400Hz.

• 有無功率因數(shù)（Power Factor)和諧波（Total Harmonics Distortion)指標(biāo)

2、輸出參數(shù)：輸出功率，輸出電壓，輸出電流，紋波，穩(wěn)壓(穩(wěn)流)精度，調(diào)整率，動(dòng)態(tài)特性(穩(wěn)定時(shí)間：settling time)、電源的啟動(dòng)時(shí)間和保持時(shí)間。

• 輸出電壓：額定值＋調(diào)節(jié)范圍。輸出電壓的上限應(yīng)盡量靠近額定值，以避免不必要的過大的設(shè)計(jì)余量。

• 輸出電流：額定值＋過載倍數(shù)。有穩(wěn)流要求的還會(huì)指定調(diào)節(jié)范圍。有些電源不允許空載，因此還應(yīng)指定電流下限。

• 穩(wěn)壓穩(wěn)流精度：影響因素包括輸入電壓調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，時(shí)效偏差。基準(zhǔn)源精度、檢測(cè)元件精度、控制電路中運(yùn)放的精度對(duì)穩(wěn)壓穩(wěn)流精度影響很大。

3、效率：額定輸入電壓與額定輸出電壓、額定輸出電流時(shí)輸出功率與輸入有功功率的比值。

• 損耗：與開關(guān)頻率密切相關(guān)的損耗：開關(guān)器件的開關(guān)損耗，磁性元件的鐵損，吸收電路的損耗。

• 電路中的通態(tài)損耗：開關(guān)器件的通態(tài)損耗，磁性元件的銅損，線路損耗。這部分損耗取決于電流。

• 其它損耗：控制電路損耗，驅(qū)動(dòng)電路的損耗等一般輸出電壓較高的電源的效率高于輸出電壓較低的電源。高輸出電壓的電源效率可達(dá)90％～95％的效率。大功率電路的效率可以比小功率電路的效率做得更高。

4、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率

• 電壓（源）調(diào)整率：電源調(diào)整率通常以額定負(fù)載條件下，由輸入電壓變化所造成其輸出電壓偏差率。如下列公式所示：Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal)，或者規(guī)定其輸出電壓之偏差量須於規(guī)定之上下限范圍內(nèi)，即輸出電壓之上下限絕對(duì)值以內(nèi)。

• 負(fù)載調(diào)整率：負(fù)載調(diào)整率的定義為開關(guān)電源於輸出負(fù)載電流變化時(shí)，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。或者輸出負(fù)載電流變化下，其輸出電壓偏差量不得超過上下限絕對(duì)值。

• 測(cè)試方法：待測(cè)電源在正常輸入電壓及負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定後，測(cè)量正常負(fù)載下的輸出電壓值，再分別測(cè)量輕載(Min)、重載(Max)負(fù)載下其輸出電壓值(分別為Vmax與Vmin)，負(fù)載調(diào)整率通常以正常固定輸入電壓下，由負(fù)載電流變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比，如下列公式所示：V0(max)-V0(min) / V0(normal)

• 
  

5、動(dòng)態(tài)特性：負(fù)載突變時(shí)輸出電壓的變化

• 開關(guān)電源通過反饋控制回路保證其輸出電壓穩(wěn)定，實(shí)際上反饋控制回路有一定的頻寬，因此限制了電源供應(yīng)器對(duì)負(fù)載電流變化時(shí)的反應(yīng)，可能引起開關(guān)電源不穩(wěn)定、失控或振蕩之現(xiàn)象。實(shí)際上，電源供應(yīng)器工作時(shí)的負(fù)載電流也是動(dòng)態(tài)變化的，因此動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試對(duì)電源供應(yīng)器而言是極為重要的。

• 可編程序電子負(fù)載可用來模擬電源供應(yīng)器實(shí)際工作時(shí)最惡劣的負(fù)載情況，如負(fù)載電流迅速上升、下降之斜率、周期等，若電源供應(yīng)器在惡劣負(fù)載狀況下，仍能夠維持穩(wěn)定的輸出電壓不產(chǎn)生過沖(Overshoot)或過低(Undershoot)情形，否則會(huì)導(dǎo)致電源輸出電壓超過負(fù)載元件(如TTL電路其輸出瞬時(shí)電壓應(yīng)介於4.75V至5.25V之間，才不致引起TTL邏輯電路之誤動(dòng)作)工作范圍。

6、電源啟動(dòng)時(shí)間(Set-Up Time)與保持時(shí)間(Hold-Up Time)

• 啟動(dòng)時(shí)間：指電源從輸入接上電源起到其輸出電壓上升到穩(wěn)壓范圍內(nèi)為止的時(shí)間，以一輸出為5V的電源供應(yīng)器為例，啟動(dòng)時(shí)間為從電源開機(jī)起到輸出電壓達(dá)到4.75V為止的時(shí)間。

• 保持時(shí)間：電源從切斷輸入電源起到其輸出電壓下降到穩(wěn)壓范圍外為止的時(shí)間，以一輸出為5V的電源供應(yīng)器為例，保持時(shí)間為從關(guān)機(jī)起到輸出電壓低於4.75V為止的時(shí)間，一般值為10－20ms，以避免電力公司供電中由于短時(shí)電壓中斷（半個(gè)或一個(gè)電網(wǎng)電壓周期）時(shí)負(fù)載工作受到影響。

7、多路輸出電源的交叉調(diào)整率：

• 多輸出還需要考慮交叉調(diào)整率（Cross Regulation）。

什么是交叉調(diào)整率？

一路輸出負(fù)載變化時(shí)，另一路輸出電壓的變化范圍。

提高交叉調(diào)整率的常規(guī)辦法：后級(jí)調(diào)整

如：小功率多路輸出Flyback

輸入電壓范圍..............90～264VAC， 120-370VDC

輸入電流
..................2.0A/115V 1.1A/230V，輸入頻率：47～63HZ

沖擊電流..................冷啟動(dòng)電流20A/115V 40A/230V

漏電流....................< 2mA/240VAC

輸出電壓調(diào)節(jié)范圍..........CH1 ：-5～+10%

電壓調(diào)整率................CH1：< 1% ， CH2：< 1%

負(fù)載調(diào)整率................CH1：< 3% ，CH2/3：< 4-8%

過載保護(hù)..................105%～150% 保護(hù)類型：電流限制，自動(dòng)恢復(fù)

過壓保護(hù)
..................115-135%CH1額定輸出電壓

溫度系數(shù)..................±0.03%℃(0～50℃)

啟動(dòng)、上升、保持時(shí)間......800ms,60ms,20ms

抗震性....................10～500Hz,2G 三軸10min./1周期,每軸1小時(shí)

耐壓性....................輸入-輸出：3KVAC，輸入-外殼：1.5KVAC，

輸出-外殼：0.5KVAC 1分鐘

絕緣電阻...............輸入-輸出、輸入-地、輸出-地500VDC/100M Ohms

工作溫度、濕度............-10℃～+60℃，20%～90%RH(0-45℃/100%,-10℃/80%,60℃/60% LOAD）

存儲(chǔ)溫度、濕度............-20℃～+85℃,10%～95RH

外形尺寸..................199*99*50mm CASE 916A

重量
......................0.6kg；20pcs/13kg/1.17CUFT

安全標(biāo)準(zhǔn)..................滿足UL1310,TUV EN60950要求

EMC/諧波標(biāo)準(zhǔn)............... 滿足

EN55022 class B/A,EN61000-3-2,3

EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204

二、選擇合適主電路拓?fù)?AC-DC)

基本原則：功率等級(jí)，成本，效率，尺寸大小

• 功率在75瓦以下時(shí)，一般不對(duì)輸入側(cè)諧波進(jìn)行限制。因此選用電路簡單、成本低廉的反激式電路。日本限制50W以下。照明要求更高，25W。

• 電路功率在75瓦以上一般電源要求滿足諧波IEC61000-3-2。一般要求有功率因數(shù)校正，因此大多采用兩級(jí)的方案。Boost PFC+Flyback; <100W、Boost PFC+half bridge 100W< <500W

• 當(dāng)更大功率（500瓦以上），可采用半橋或者全橋。成本要求嚴(yán)，就選擇半橋，功率大則選擇全橋。推挽型電路通常用于功率較大，輸入電壓很低的場(chǎng)合。

• 一般功率小于20W時(shí)，由于電源的損耗以磁元件，開關(guān)，和驅(qū)動(dòng)損耗為主，通態(tài)損耗比重小（電流小），因此選擇電路拓?fù)浜唵蔚姆桨浮Ｈ鏒CM Flyback。

• 當(dāng)電源的損耗以通態(tài)損耗為主時(shí)（大功率，或者低壓大電流），需要考慮能夠降低通態(tài)損耗的方案。比如：同步整流，多級(jí)轉(zhuǎn)換，并聯(lián)，混合拓?fù)涞取?/p>

三、元器件設(shè)計(jì)

例：Flyback主電路中哪些元器件需要我們?cè)O(shè)計(jì)?

① 計(jì)算電路工作參數(shù)。輸入、輸出電壓

② 運(yùn)行參數(shù)。開關(guān)頻率、最大占空比

③ 變壓器。

④ 開關(guān)管－電壓，電流

⑤ 副邊二極管－電壓、電流

⑥ 輸出濾波電容

⑦ 吸收電路

設(shè)計(jì)步驟

（一）、確定輸入直流母線的電壓變化范圍：

1）隨輸入變化范圍

2）每個(gè)工頻周期內(nèi)電壓變化

（二）、設(shè)計(jì)開關(guān)頻率fs，最大占空比Dmax＝0.45

? 按照要求設(shè)定開關(guān)頻率

? 根據(jù)輸入功率，并假定最低電壓最大占空比，剛好臨界連續(xù)，然后確定電感峰值電流

Pinmax＝Pomax/efficiency

Iavgmax=Pinmax/VDCmin

Ipeak=2*Iavgmax/D

（三）、設(shè)計(jì)反激變壓器

– 根據(jù)最大峰值電流，確定原邊電感量

Pinmax＝0.5*Lm*Ipeak2*fs

– 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選定磁芯尺寸，計(jì)算原邊匝數(shù)。

Np＝（Lm*Ipeak)/(Ae*Bmax)

Ae是磁芯截面積；Bmax是設(shè)計(jì)的最大磁通密度。

– 根據(jù)電感量和匝數(shù)，設(shè)計(jì)氣隙。

– 根據(jù)原邊開關(guān)管的額定電壓選擇合適的匝比。為了獲得較好的副邊交叉調(diào)整率，有時(shí)候需要調(diào)整變壓器原邊的匝數(shù)。

例：副邊Vo1：Vo2＝5：3

初步計(jì)算得到：Ns1＝3，Ns2＝1.8；如果Ns2取2匝，則調(diào)整率可能比較差。于是，修改副邊匝數(shù)，Ns1=5，Ns2＝3。

(四）、開關(guān)管選擇：功率MOSFET

• 開關(guān)管電壓應(yīng)力：

• 例：原邊選擇650V的MOSFET，則原邊的開關(guān)管的電壓應(yīng)力不應(yīng)超過600V。

• 于是計(jì)算最大應(yīng)力：Vpmax=VDCmax＋（Vo＋Vdrop）*Np/Ns+60V

• 開關(guān)管電流應(yīng)力：

• 計(jì)算變壓器原邊的最大電流

• 一般情況下：Vo*Np/Ns<140V；

• 考慮，原邊開關(guān)管的應(yīng)力，副邊二極管的電壓應(yīng)力，最大占空比三者折衷。

（五）、副邊二極管的選擇：

– 快恢復(fù)二極管

– 計(jì)算二極管的耐壓

VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1.3

（六）、輸出濾波電容的選擇：

根據(jù)電流/電壓應(yīng)力，紋波要求，選擇電解電容。

（七）、RCD 吸收電路

• 考慮問題點(diǎn)：

1）吸收效果

2）損耗盡可能小

吸收效果與損耗之間折衷！

不僅對(duì)FLYback，所有存在R的吸收電路都同樣的設(shè)計(jì)原則。

損耗估算方法：

1）Psnuber=Vc2/R

• MOSFET關(guān)斷時(shí),當(dāng)Vds超過RCD緩沖電路中的電容兩端的電壓VSN時(shí),緩沖二極管導(dǎo)通.尖峰電流被RCD電路吸收,從而削減了尖峰電流. 緩沖電容一定要足夠大,才能保證在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容兩端的電壓沒有顯著變化.但是吸收電容太大，也會(huì)增加緩沖電路的損耗。必須折中。

• 吸收電路消耗的電能可由下式計(jì)算得。則取電阻為3W的功率電阻，其阻值和電容值可由軟件計(jì)算得，如下圖

四、其他模式flyback設(shè)計(jì)

CCM/DCM Flyback設(shè)計(jì)

• 在功率較大時(shí)，如65W。為了降低低壓

輸入時(shí)的導(dǎo)通損耗，使低壓輸入時(shí)進(jìn)入CCM模式。高壓輸入時(shí)，DCM模式。

設(shè)計(jì)步驟與DCM模式相同，設(shè)計(jì)公式不同。

– 計(jì)算原邊電感值公式不同

– 計(jì)算匝比公式不同

– 計(jì)算開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力不同

– 計(jì)算二極管電壓、電流應(yīng)力不同

– 計(jì)算輸出紋波不同

Boundary CM Flyback

• 在母線電壓的變動(dòng)范圍內(nèi)，都是臨界模式。（變頻）與DCM設(shè)計(jì)步驟和方法模式一樣。

• BCM/DCM優(yōu)點(diǎn)：

• 1）原邊開關(guān)管的開通損耗小。

• 2）副邊二極管的反向恢復(fù)電流小。

• 3）反向恢復(fù)引起的共模噪聲小

• 4) 二極管的電壓應(yīng)力小，宜選用低壓器件。

• BCM模式的缺點(diǎn)：

• 1）原邊開關(guān)管的導(dǎo)通損耗大。

• 2）頻率變化，差模濾波器需要按照最低頻率設(shè)計(jì)。共模濾波器要按照較高頻率設(shè)計(jì)。

• 兩個(gè)條件使上面的缺點(diǎn)不再重要：

• 1）MOSFET器件的改進(jìn)，Rdson越來越小。使原邊的導(dǎo)通損耗占的總損耗的比重減小。

• 2）BCM使副邊的二極管的反向恢復(fù)引起的共模減小。

• 
  

五、熱設(shè)計(jì)

• 開關(guān)管一般要加散熱器，散熱器和開關(guān)管之間要加絕緣墊片和涂上散熱硅膠。

• 在大功率的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般還要安裝風(fēng)扇采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。

六、布線設(shè)計(jì)及EMI

• 各元器件的引腳特別是電容的引腳要盡量短，否則電容對(duì)高頻的吸收效果差；

• 大電流流過的互連線要粗要短；

• 盡量不要形成大的環(huán)路，否則干擾太大，影響調(diào)試。

• 控制電路的布線與功率電路的布線要分開。

• 控制芯片和變壓器都要安裝座子，以方便拆卸。布線時(shí)充分考慮散熱以及方便測(cè)試，整潔，各功能模塊清楚。