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【干货】非常经典的开关电源设计问题！

2017-4-27 11:52:06 3958 开关电源

0 问题一我们小功率用到最多的反激电源，为什么我们常常选择65K或者100K（这些频率段附近）作为开关频率？有哪些原因制约了？或者哪些情况下我们可以增大开关频率？或者减小开关频率？开关电源为什么常常选择65K或者100K左右范围作为开关频率，有的人会说IC厂家都是生产这样的IC，当然这也有原因。每个电源的开关频率会决定什么？应该从这里去思考原因。还会有人说频率高了EMC不好过，一般来说是这样，但这不是必然，EMC与频率有关系，但不是必然。想象我们的电源开关频率提高了，直接带来的影响是什么?当然是MOS开关损耗增大，因为单位时间开关次数增多了。如果频率减小了会带来什么？开关损耗是减小了，但是我们的储能器件单周期提供的能量就要增多，势必需要的变压器磁性要更大，储能电感要更大了。选取在65K到100K左右就是一个比较合适的经验折中，电源就是在折中合理化折中进行。假如在特殊情形下，输入电压比较低，开关损耗已经很小了，不在乎这点开关损耗吗，那我们就可以提高开关频率，起到减小磁性器件体积的目的。本问关键：如何选择合适IC的开关频率？主流IC的开关频率为什么是大概是这么一些范围？开关频率和什么有关，说的是普遍情况，不是想钻牛角尖好多IC还有什么不同的频率。更多的想发散大家思维去注意到这些问题！我这里想说的普遍情况，主要想提的是开关频率和什么有关，如何去选择合适开关频率，为什么主流IC以及开关频率是这么多，注意不是一定，是普遍情况，让新手区理解一般行为，当然开关电源想怎么做都可以，要能合理使用。 1、你是如何知道一般选择65或者100KHZ,作为开关电源的开关频率的？（调研普遍的大厂家主流IC，这二个会比较多，当然也有一些在这附近，还有一些是可调的开关频率） 2、又是如何在工作中发现开关电源开关频率确实工作在65KHZ,或100KHZ的。（从设计角度考量，普遍电源使用这个范围） 3、有两张以上的测试65KHZ100KHZ频率的图片说明吗？（何止二张图片，毫无意义） 4、你是否知道开关电源可以工作在1.5HZ.（你觉得这样谈有必要，工作没有什么不可以，纯熟钻牛角尖，做技术切记钻牛角尖，那你能谈谈为什么普遍电源不工作在1.5HZ，说这个才有意义，你做出1.5HZ的电源纯属毫无意义的事情）提醒：做技术人员切记钻牛角尖，咱们不是校园研究派，是需要将理论与实践现结合起来，做出来的产品才是有意义的产品！问题二问题三问题四问题五我们选择拓扑时需要考虑哪些方面的因素？各种拓扑使用环境及优缺点？设计电源的第一步不知道大家会想到什么呢?我是这么想，细致研究客户的技术指标要求，转换为电源的规格书，与客户沟通指标，不同的指标意味着设计难度和成本，也是对我提出的问题有很大的影响，选择拓扑时根据我们的电源指标结合成本来考虑的，哪常用的几种拓扑特点在哪呢？这里主要谈隔离式，非隔离式应用有限，当然也是成本最低的。反激特点：适用在小于150W，理论这么说，实际大于75W就很少用，不谈很特殊的情况。反激的有点成本低，调试容易（相对于半桥，全桥），主要是磁芯单向励磁，功率由局限性，效率也不高，主要是硬开关，漏感大等等原因。全电压范围（85V-264V）效率一般在80%以下，单电压达到80%很容易。正激特点：功率适中，可做中小功率，功率一般在200W以下，当然可以做很大功率，只是不常常这么做，原因是正激和反激一样单向励磁，做大功率磁芯体积要求大，当然采用2个变压器串并联的也有，注意只谈一般情形，不误导新人。正激有点，成本适中，当然比反激高，优点效率比反激高，尤其采用有源箝位做原边吸收，将漏感能量重新利用。半桥：目前比较火的是LLC谐振半桥，中小功率，大功率通吃型。（一般大于100W小于3KW）。特点成本比反激正激高，因为多用了1个MOS管（双向励磁）和1个整流管，控制IC也贵，环路设计业复杂（一般采用运放，尤其还要做电流环）。优点:采用软开关，EMC好，效率极高，比正激高，我做过960W LLC,效率可达96%以上（全电压）（当然PFC是采用无桥方式）。其它半桥我不推荐，至少我不会去用，比较老的不对称桥，很难做到软开关，LLC成熟以前用的多，现在很少用，至少艾默生等大公司都倾向于LLC，跟着主流走一般都不会错。全桥：一般用在大于2KW以上，首推移相全桥，特点，双向励磁，MOS管应力小，比LLC应力小一半，大功率尤其输入电压较高时，一般用移相全桥，输入电压低用LLC。成本特别高，比LLC还多用2个MOS。这还不是首要的，主要是驱动复杂，一般的IC驱动能力都达不到，要将驱动放大，采用隔离变压器驱动，这里才是成本高的另一方面。推挽：应用在大功率，尤其是输入电压低的大功率场合，特点电压应力高，当然电流应力小，大功率用全桥还是推挽一般看输入电压。变压器多一个绕组，管子应力要求高，当然常提到的磁偏磁也需要克服。这个我真没用过，没涉及电力电源，很难用到它的时候。问题六问题七电源的环路设计，电源哪些部分影响电源的环路？好的环路有哪些指标决定？电源的环路设计一直是一个难点，为什么这么说，因为主要影响的因素太多，理论计算很难做到准确，仿真也是基于理想化模型，在这里只谈关于环路设计的一些影响因素，从定性的角度去理解环路以及怎么去做环路补偿。环路是基于输入输出波动时，需要通过反馈，环路相应告知控制IC去调节，维持输出的稳定。电源环路一般都是串联负反馈，有的是电压串联负反馈（CC模式下），有的是电流串联负反馈（CV模式下）。那有哪些地方会影响环路呢？电路中的零点以及极点。零点一般会导致增益上升，引起90度相移（右半平面零点会引起-90度相移）。极点一般会导致增益下降，引起-90度相移，左半平面极点会引起系统震荡。所以我们需要借助零点极点补偿手段去合理调控我们的环路。对于低频部分，为了满足足够增益一般引入零点补偿，对于高频干扰一般引入极点补偿去抵消，减少高频干扰。环路稳定的原则是：1.在穿越频率处（即增益为零dB时的频率），系统的相位余量大于45度。 2.在相位达到-180度时增益的余量大于-12dB.3.避免过快的进入穿越频率，在进入穿越频率附近的曲线斜率为-1. 针对一般反激电路： 1.产生零点的有输出滤波电容：可以使环路增益上升。(一般在中频4K左右，对增益有好处，无需补偿） 2.若工作在CCM模式下还会产生右半平面零点。在高频段，可采用极点补偿。这个一般很难补偿，尽量避免，让穿越频率小于右半平面零点频率（15K左右，随负载变化会变化），选取。 3.负载会产生低频极点。采用低频零点去补偿。 4.LC滤波器会产生低频极点，需要采用零点补偿。在心中要清楚哪些零极点是利是弊，针对性补偿。补偿的电路，针对电源环路来说比较简单，一般采用对运放采用2型补偿，也有的会采用3型补偿很少用。问题八问题九问题十问题十一评判一块电源板LAYOUT好坏有哪些地方能一阵见血发现？什么样的PCB是一块好的PCB，至少要满足以下一个方面：1.电性能方面干扰小，关键信号线及底线走的合理，各方面性能稳定（前提是电路无缺陷）。2.利于EMC，辐射低，环路走的合理。3.满足安规，安规距离满足要求。4.满足工艺，量产可生产性，以及减小生产成本。5.美观，布局规则有序（器件不东倒西歪），走线漂亮美观，不七弯八绕的。如何才能做到以上几点，分享我的布板经验： 1.布局前，了解清楚电源的规格书，电源的规格，有无特殊要求，以及要过的安规标准。结构输入条件是不是准确，以及风道的确认，输入输出端口的确认，以及主功率流向。工艺路线选取，根据器件的密度，以及有无特殊器件，选择相对应工艺路线。 2.布局中，注意合理的布局，保证四大环路尽可能小，提前预判后续走线是否好走。变压器的摆放基本决定了整体的布局，一定要慎重，放到最佳位置。EMI部分的布局流向清晰，与其它主功率部分有清晰的隔离带。减少受到主功率开关器件的干扰。各吸收回路的面积尽可能小，散热器的长度以及位置要合理，不挡风道。 3.走线部分，输入EMI电路的走线是否满足安规，原副边距离，输入输出对大地的距离都要满足安规。走线的粗细是否满足足够的电流大小，关键信号（例如驱动信号，采样信号，地线是否合理），驱动信号不要干扰敏感信号（高频信号）；采样信号是否采样准确，是否会受到干扰；地线是否拉得合理（有时需要单点接地，有时需要多点接地跟实际需要有关），主功率地和信号地严格区分开，原边芯片地从采样电阻取，不要从大电解取（尤其是采样电阻和大电解地距离远时），VCC的地前级地回大电解，二级电容地接芯片，反馈信号也单点接IC，地单点接IC。散热器的地必须接主功率地，不能接信号地等等很多的细节要求。问题十二电源的元器件你懂多少？MOS管结电容多大，对哪些有影响？RDS跟温度是什么关系？肖特基反向恢复电流影响什么？电容的ESR会带来哪些影响？电源中的设计的器件类型很多，主要有半导体器件如：MOS管，三极管，IC，运放，二极管，光耦等；磁**件：电感，变压器，磁珠等；电容：Y电容，X电容，瓷片电容，电解电容，贴片电容等；每种器件都有其规格，极限参数。常规的参数在我们选型很容易把握，例如选取MOS管，耐压参数肯定会考虑，额定电流也会考虑，导通电阻我们会考虑，但还有一些寄生参数以及一些随温度变化特性的参数却很少去注意，或者只有在发现问题的时候才会去找。导通电阻Rds(on)随温度升高其阻值是变大的，设计MOS管损耗时要考虑到其工作的环境温度。结电容影响到我们的开通损耗，也会影响到EMC。肖特基二极管耐压，额定电流一般很好注意，有些参数例如导通压降在温度升高时会减小，反向恢复时间短，不过漏电流大（尤其是考虑到高温时漏电流影响就更大了），寄生电感会引起关断尖峰很高电容一个重要参数ESR，在计算纹波时通常会考虑，ESR一般与C的关联是很大的，不过不同厂家的品质因素影响也是很巨大，一定要具体分清楚。一般估算公司可参考：ESR=10/（C的0.73次方），电容在高温时寿命会缩短，低温时容量会减小，漏电流也会增加等等；当然器件在特殊情形表现出来的特性差异是值得我们思考的问题，请大家多多思量，对于我们解决特殊情况下的问题非常有帮助。问题十三问题十四问题十五 4
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jf_ed1027433 · 2017-4-27 13:43:20 沙发你可以顺带参加我们的发烧友活动，还有机会获得奖品https://bbs.elecfans.com/jishu_1124402_1_1.html

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