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某高手谈开关电源规划心得

首先从开关电源的设计及生产工艺开始描述吧,先说说印制板的设计。开关电源工作在高频率,高脉冲状态,属于模拟电路中的一个比较特殊种类。布板时须遵循高频电路布线原则。1、布局:脉冲电压连线尽可能

  首先从开关电源的规划及出产工艺开端描绘吧,先说说印制板的规划。开关电源作业在高频率,高脉冲状况,归于模仿电路中的一个比较特别品种。布板时须遵从高频电路布线准则。

  1、布局:脉冲电压连线尽或许短,其间输入开关管到变压器连线,输出变压器到整流管衔接线。脉冲电流环路尽或许小如输入滤波电容正到变压器到开关管回来电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容回来变压器电路中X电容要尽量接 近开关电源输入端,输入线应避免与其他电路平行,应避开。Y电容应放置在机壳接地端子或FG衔接端。共摸电感应与变压器坚持必定距离,以避免磁巧合。如欠好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽,以上几项对开关电 源的EMC功用影响较大。

  输出电容一般可选用两只一只挨近整流管另一只应挨近输出端子,可影响电源输出纹波目标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器材要和电解电容坚持必定距离,以延伸整机寿数,电解电容是开关电源寿数的瓶劲,如变压器、功率管、大功率电阻要和电解坚持距离,电解之间也须留出散热空间,条件答应 可将其放置在进风口。

  操控部分要留意:高阻抗弱信号电路连线要尽量短如取样反应环路,在处理时要尽量避免其受搅扰、电流取样信号电路,特别是电流操控型电路,处理欠好易呈现一些想不到的意外,其间有一些技巧,现以3843电路举例见图(1)图一效果要好于图二,图二在满载时用示波器观测电流波形上显着叠加尖刺,因为搅扰限流点比规划值偏低,图一则没有这种现象、还有开关管驱动信号电路,开关管驱动电阻要挨近开关管,可进步开关管作业牢靠性,这和功率MOSFET高直流阻抗电压驱动特性有关。

  

 

  下面谈一谈印制板布线的一些准则。

  线距离:跟着印制线路板制作工艺的不断完善和进步,一般加工厂制作出线距离等于乃至小于0.1mm现已不存在什么问题,彻底可以满意大大都运用场合。考虑到开关电源所选用的元器材及出产工艺,一般双面板最小线距离设为0.3mm,单面板最小线距离设为0.5mm,焊盘与焊盘、焊盘与过孔或过孔与过孔,最小 距离设为0.5mm,可避免在焊接操作进程中呈现“桥接”现象。,这样大大都制板厂都可以很轻松满意出产要求,并可以把成品率操控得十分高,亦可完成合理的布线密度及有一个较经济的本钱。

  最小线距离只适宜信号操控电路和电压低于63V的低压电路,当线间电压大于该值时一般可依照500V/1mm经历值取线距离。

  鉴于有一些相关标准对线距离有较清晰的规则,则要严厉依照标准履行,如沟通进口端至熔断器端连线。某些电源对体积要求很高,如模块电源。一般变压器输入侧线距离为1mm实践证明是可行的。对沟通输入,(阻隔)直流输出的电源产品,比较严厉的规则为安全距离要大于等于6mm,当然这由相关的标准及履行办法 确认。一般安全距离可由反应光耦两边距离作为参阅,准则大于等于这个距离。也可在光耦下面印制板上开槽,使爬电距离加大以满意绝缘要求。一般开关电源沟通输入侧走线或板上元件距非绝缘的外壳、散热器距离要大于5mm,输出侧走线或器材距外壳或散热器距离要大于2mm,或严厉依照安全标准履行。

  常用办法:上文说到的线路板开槽的办法适用于一些距离不行的场合,趁便提一下,该法也常用来作为维护放电空隙,常见于电视机显象管尾板和电源沟通输入处。该法在模块电源中得到了广泛的运用,在灌封的条件下可取得很好的效果。

  办法二:垫绝缘纸,可选用青壳纸、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等绝缘资料。一般通用电源用青壳纸或聚脂膜垫在线路板于金属机壳间,这种资料有机械强度高,有有必定抗湿润的才干。聚四氟乙烯定向膜因为具有耐高温的特性在模块电源中得到广泛的运用。在元件和周围导体间也可垫绝缘薄膜来进步绝缘抗电功用。

  留意:某些器材绝缘被覆套不能用来作为绝缘介质而减小安全距离,如电解电容的外皮,在高温条件下,该外皮有或许受热缩短。大电解防爆槽前端要留出空间,以确保电解电容在十分状况时能无阻止地泻压.

  谈一谈印制板铜皮走线的一些事项:

  走线电流密度:现在大都电子线路选用绝缘板缚铜构成。常用线路板铜皮厚度为35μm,走线可依照1A/mm经历值取电流密度值,详细核算可拜见教科书。为确保走线机械强度准则线宽应大于或等于0.3mm(其他非电源线路板或许最小线宽会小一些)。铜皮厚度为70μm线路板也常见于开关电源,那么电流密度可更高些。

  弥补一点,现常用线路板规划工具软件一般都有规划标准项,如线宽、线距离,旱盘过孔尺度等参数都可以进行设定。在规划线路板时,规划软件可主动依照标准履行,可节约许多时刻,削减部分作业量,下降出错率。

  一般对牢靠性要求比较高的线路或布线线密度大可选用双面板。其特色是本钱适中,牢靠性高,能满意大大都运用场合。

  模块电源队伍也有部分产品选用多层板,首要便于集成变压器电感等功率器材,优化接线、功率管散热等。具有工艺漂亮共同性好,变压器散热好的长处,但其缺陷是本钱较高,灵敏性较差,仅适宜于工业化大规模出产。

  单面板,商场流转通用开关电源简直都选用了单面线路板,其具有低本钱的优势,在规划,及出产工艺上采纳一些办法亦可确保其功用。

  谈谈单面印制板规划的一些领会,因为单面板具有本钱低价,易于制作的特色,在开关电源线路中得到广泛运用,因为其只要一面缚铜,器材的电器衔接,机械固定都要依托那层铜皮,在处理时有必要当心。

  为确保杰出的焊接机械结构功用,单面板焊盘应略微大一些,以确保铜皮和基板的杰出缚着力,而不至于遭到轰动时铜皮剥离、断脱。一般焊环宽度应大于0.3mm。焊盘孔直径应略大于器材引脚直径,但不宜过大,确保管脚与焊盘间由焊锡衔接距离最短,盘孔巨细以不阻碍正常查件为度,焊盘孔直径一般大于管脚直径0.1-0.2mm。多引脚器材为确保顺畅查件,也可更大一些。

  电气连线应尽量宽,准则宽度应大于焊盘直径,特别状况应在连线于与焊盘交汇有必要将线加宽(俗称生成泪滴),避免在某些条件线与焊盘开裂。准则最小线宽应大于0.5mm。

  单面板上元器材应紧贴线路板。需求架空散热的器材,要在器材与线路板之间的管脚上加套管,可起到支撑器材和添加绝缘的两层效果,要最大极限削减或避免外力冲击对焊盘与管脚衔接处形成的影响,增强焊接的结实性。线路板上分量较大的部件可添加支撑衔接点,可加强与线路板间衔接强度,如变压器,功率器材散热器。

  单面板焊接面引脚在不影响与外壳距离的前题条件下,可留得长一些,其长处是可增 加焊接部位的强度,加大焊接面积、有虚焊现象可即时发现。引脚长剪腿时,焊接部位受力较小。在台湾、日本常选用把器材引脚在焊接面弯成与线路板成45度 角,然后再焊接的工艺,的其道理同上。今日谈一谈双面板规划中的一些事项,在一 些要求比较高,或走线密度比较大的运用环境中选用双面印制板,其功用及各方面目标要比单面板好许多。

  双面板焊盘因为孔已作金属化处理强度较高,焊环可比单面板小一些,焊盘孔孔径可 比管脚直径略微大一些,因为在焊接进程中有利于焊锡溶液经过焊孔渗透到顶层焊盘,以添加焊接牢靠性。可是有一个坏处,假如孔过大,波峰焊时在射流锡冲击下部分器材或许上浮,发生一些缺陷。

  大电流走线的处理,线宽可依照前帖处理,如宽度不行,一般可选用在走线上镀锡添加厚度进行处理,其办法有好多种

  1, 将走线设置成焊盘特色,这样在线路板制作时该走线不会被阻焊剂掩盖,热风整平常会被镀上锡。

  2, 在布线处放置焊盘,将该焊盘设置成需求走线的形状,要留意把焊盘孔设置为零。

  3, 在阻焊层放置线,此办法最灵敏,但不是一切线路板出产商都会理解你的意图,需用文字阐明。在阻焊层放置线的部位会不涂阻焊剂。

  线路镀锡的几种办法如上,要留意的是,假如很宽的的走线悉数镀上锡,在焊接今后,会粘接很多焊锡,而且散布很不均匀,影响漂亮。一般可选用细长条镀锡宽度在1~1.5mm,长度可根据线路来确认,镀锡部分距离0.5~1mm双面线路板为布局、走线供给了很大的选择性,可使布线更趋于合理。关于接地,功率地与信号地必定要分隔,两个地可在滤波电容处集合,以避免大脉冲电流转过信号地连线而导致呈现不安稳的意外要素,信号操控回路尽量选用一点接地法,有一个技巧,尽量把非接地的走线放置在同一布线层,最终在别的一层铺地线。输出 线一般先经过滤波电容处,再到负载,输入线也有必要先经过电容,再到变压器,理论依据是让纹波电流都经过旅滤波电容。

  电压反应取样,为避免大电流转过走线的影响,反应电压的取样点必定要放在电源输出最末梢,以进步整机负载效应目标。

  走线从一个布线层变到别的一个布线层一般用过孔连通,不宜经过器材管脚焊盘完成,因为在插装器材时有或许损坏这种衔接联系,还有在每1A电流转过期,至少应有2个过孔,过孔孔径准则要大于0.5mm,一般0.8mm可确保加工牢靠性。

  器材散热,在一些小功率电源中,线路板走线也可兼散热功用,其特色是走线尽量广大,以添加散热面积,并不涂阻焊剂,有条件可均匀放置过孔,增强导热功用。

  谈谈铝基板在开关电源中的运用和多层印制板在开关电源电路中的运用。

  铝基板由其自身结构,具有以下特色:导热功用十分优秀、单面缚铜、器材只能放置在缚铜面、不能开电器连线孔所以不能依照单面板那样放置跳线。

  铝基板上一般都放置贴片器材,开关管,输出整流管经过基板把热量传导出去,热阻很低,可取得较高牢靠性。变压器选用平面贴片结构,也可经过基板散热,其温升比惯例要低,相同标准变压器选用铝基板结构可得到较大的输出功率。铝基板跳线可以选用搭桥的办法处理。铝基板电源一般由由两块印制板组成,别的一块板放 置操控电路,两块板之间经过物理衔接组成一体。

  因为铝基板优秀的导热性,在小量手艺焊接时比较困难,焊料冷却过快,简略呈现问题现有一个简略有用的办法,将一个烫衣服的一般电熨斗(最好有调温功用),翻过来,熨烫面向上,固定好,温度调到150℃左右,把铝基板放在熨斗上面,加温一段时刻,然后依照惯例办法将元件贴上并焊接,熨斗温度以器材易于焊接为宜,太高有或许时器材损坏,乃至铝基板铜皮剥离,温度太低焊接效果欠好,要灵敏把握.

  最近几年,跟着多层线路板在开关电源电路中运用,使得印制线路变压器成为或许,因为多层板,层距离较小,也可以充沛运用变压器窗口截面,可在主线路板上再加一到两片由多层板组成的印制线圈到达运用窗口,下降线路电流密度的意图,因为选用印制线圈,削减了人工干预,变压器共同性好,平面结构,漏感低,巧合 好。敞开式磁芯,杰出的散热条件。因为其具有许多的优势,有利于大批量出产,所以得到广泛的运用。但研制开发初期投入较大,不适宜小规模生。

  开关电源分为,阻隔与非阻隔两种方式,在这里首要谈一谈阻隔式开关电源的拓扑方式,鄙人文中,非特别阐明,均指阻隔电源。阻隔电源依照结构方式不同,可分为两大类:正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截止,变压器储能。原边截止时,副边导通,能量释放到负载的作业状况,一般惯例反激式电源单管 多,双管的不常见。正激式指在变压器原边导通一起副边感应出对应电压输出到负载,能量经过变压器直接传递。按标准又可分为惯例正激,包含单管正激,双管正激。半桥、桥式电路都归于正激电路。

  正激和反激电路各有其特色,在规划电路的进程中为到达最优性价比,可以灵敏运用。一般在小功率场合可选用反激式。略微大一些可选用单管正激电路,中等功率可选用双管正激电路或半桥电路,低电压时选用推挽电路,与半桥作业状况相同。大功率输出,一般选用桥式电路,低压也可选用推挽电路。

  反激式电源因其结构简略,省掉了一个和变压器体积巨细差不多的电感,而在中小功率电源中得到广泛的运用。在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦,输出功率超越100瓦就没有优势,完成起来有难度。自己以为一般状况下是这样的,但也不能混为一谈,PI公司的TOP芯片就可做到300瓦,有文章介绍反激电源可做到上千瓦,但没见过什物。输出功率巨细与输出电压凹凸有关。

  反激电源变压器漏感是一个十分要害的参数,因为反激电源需求变压器贮存能量,要 使变压器铁芯得到充沛运用,一般都要在磁路中开气隙,其意图是改动铁芯磁滞回线的斜率,使变压器可以接受大的脉冲电流冲击,而不至于铁芯进入饱满非线形状况,磁路中气隙处于高磁阻状况,在磁路中发生漏磁远大于彻底闭合磁路。

  变压器初度极间的巧合,也是确认漏感的要害要素,要尽量使初度极线圈挨近,可选用三明治绕法,但这样会使变压器散布电容增大。选用铁芯尽量用窗口比较长的磁芯,可减小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。

  关于反激电源的占空比,准则上反激电源的最大占空比应该小于0.5,不然环路不简略补偿,有或许不安稳,但有一些破例,如美国PI公司推出的TOP系列芯片是可以作业在占空比大于0.5的条件下。 占空比由变压器原副边匝数比确认,自己对做反激的观点是,先确认反射电压(输出电压经过变压器耦合反映到原边的电压值),在必定电压范围内反射电压进步则作业占空比增大,开关管损耗下降。反射电压下降则作业占空比减小,开关管损耗增大。当然这也是有前提条件,当占空比增大,则意味着输出二极管导通时刻缩 短,为坚持输出安稳,更多的时分将由输出电容放电电流来确保,输出电容将接受更大的高频纹波电流冲刷,而使其发热加重,这在许多条件下是不答应的。占空比增大,改动变压器匝数比,会使变压器漏感加大,使其整体功用变,当漏感能量大到必定程度,可充沛抵消掉开关管大占空带来的低损耗,时就没有再增大占 空比的含义了,乃至或许会因为漏感反峰值电压过高而击穿开关管。因为漏感大,或许使输出纹波,及其他一些电磁目标变差。当占空比小时,开关管经过电流有效值高,变压器初级电流有效值大,下降改换器功率,但可改进输出电容的作业条件,下降发热。

  怎么确认变压器反射电压(即占空比)

  有网友说到开关电源的反应环路的参数设置,作业状况剖析。因为在上学时高数学的比较差,《主动操控原理》差一点就补考了,关于这一门现在还感觉惊骇,到现在也不能完好写出闭环体系传递函数,关于体系零点、极点的概念感觉很含糊,看波德图也仅仅大约看出是发散仍是收敛,所以关于反应补偿不敢胡说八道,但有有 一些主张。假如有一些数学功底,再有一些学习时刻可以再把大学的讲义《主动操控原理》找出来细心的消化一下,并结合实际的开关电源电路,按作业状况进行剖析。必定会有所收成,论坛有一个帖子《拜师肄业反应环路规划、调式》其间CMG答复得很好,我觉得可以参阅。

  接着谈关于反激电源的占空比(自己重视反射电压,与占空比共同),占空比还与选择开关管的耐压有关,有一些前期的反激电源运用比较低耐压开关管,如600V或650V作为沟通220V输入电源的开关管,或许与其时出产工艺有关,高耐压管子,不易制作,或许低耐压管子有更合理的导通损耗及开关特性,像这种线路反射电压不能太高,不然为使开关管作业在安全范围内,吸收电路损耗的功率也是相当可观的。 实践证明600V管子反射电压不要大于100V,650V管子反射电压不要大于120V,把漏感尖峰电压值钳位在50V时管子还有50V的作业余量。现在 因为MOS管制作工艺水平的进步,一般反激电源都选用700V或750V乃至800-900V的开关管。像这种电路,抗过压的才干强一些开关变压器反射电压也可以做得比较高一些,最大反射电压在150V比较适宜,可以取得较好的综 合功用。PI公司的TOP芯片引荐为135V选用瞬变电压按捺二极管钳位。但他的评价板一般反射电压都要低于这个数值在110V左右。这两品种型各有优缺陷:

  第一类:缺陷抗过压才干弱,占空比小,变压器初级脉冲电流大。长处:变压器漏感小,电磁辐射低,纹波目标高,开关管损耗小,转化功率不必定比第二类低。

  第二类:缺陷开关管损耗大一些,变压器漏感大一些,纹波差一些。长处:抗过压才干强一些,占空比大,变压器损耗低一些,功率高一些。

  反激电源反射电压还有一个确认要素

  反激电源的反射电压还与一个参数有关,那就是输出电压,输出电压越低则变压器匝数比越大,变压器漏感越大,开关管接受电压越高,有或许击穿开关管、吸收电路耗费功率越大,有或许使吸收回路功率器材永久失效(特别是选用瞬变电压按捺二极管的电路)。在规划低压输出小功率反激电源的优化进程中有必要当心处理,其 处理办法有几个:

  1、 选用大一个功率等级的磁芯下降漏感,这样可进步低压反激电源的转化功率,下降损耗,减小输出纹波,进步多路输出电源的交差调整率,一般常见于家电用开关电源,如光碟机、DVB机顶盒等。

  2、假如条件不答应加大磁芯,只能下降反射电压,减小占空比。下降反射电压可减小漏感但有或许使电源转化功率下降,这两者是一个对立,有必要要有一个代替进程才干找到一个适宜的点,在变压器代替试验进程中,可以检测变压器原边的反峰电压,尽量 下降反峰电压脉冲的宽度,和起伏,可添加改换器的作业安全裕度。一般反射电压在110V时比较适宜。

  3、增强耦合,下降损耗,选用新的技能,和绕线工艺,变压器为满意安全标准会在原边和副边间采纳绝缘办法,如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感功用,实际出产中可选用初级绕组包绕次级的绕法。或许次级用三重绝缘线绕制,撤销 初度级间的绝缘物,可以增强耦合,乃至可选用宽铜皮绕制。

  文中低压输出指小于或等于5V的输出,像这一类小功率电源,自己的经历是,功率输出大于20W输出可选用正激式,可取得最佳性价比,当然这也不是决对的, 与个人的习气,运用的环境有联系。

  反激电源变压器磁芯在作业在单向磁化状况,所以磁路需求开气隙,类似于脉动直流电感器。部分磁路经过空气缝隙耦合。为什么开气隙的原理自己理解为:因为功率铁氧体也具有近似于矩形的作业特性曲线(磁滞回线),在作业特性曲线上Y轴表明磁感应强度(B),现在的出产工艺一般饱满点在400mT以上,一般此值 在规划中取值应该在200-300mT比较适宜、X轴表明磁场强度(H)此值与磁化电流强度成比例联系。磁路开气隙相当于把磁体磁滞回线向X轴向歪斜,在相同的磁感应强度下,可接受更大的磁化电流,则相当于磁心贮存更多的能量,此能量在开关管截止时经过变压器次级泻放到负载电路,反激电源磁芯开气隙有两个效果。其一是传递更多能量,其二避免磁芯进入饱满状况。

  反激电源的变压器作业在单向磁化状况,不只要经过磁耦合传递能量,还背负电压改换输入输出阻隔的多重效果。所以气隙的处理需求十分当心,气隙太大可使漏感变大,磁滞损耗添加,铁损、铜损增大,影响电源的整机功用。气隙太小有或许使变压器磁芯饱满,导致电源损坏

  所谓反激电源的接连与断续方式是指变压器的作业状况,在满载状况变压器作业于能量彻底传递,或不彻底传递的作业方式。一般要根据作业环境进行规划,惯例反激电源应该作业在接连方式,这样开关管、线路的损耗都比较小,而且可以减轻输入输出电容的作业应力,可是这也有一些破例。 需求在这里特别指出:因为反激电源的特色也比较适宜规划成高压电源,而高压电源变压器一般作业在断续方式,自己理解为因为高压电源输出需求选用高耐压的整流二极管。因为制作工艺特色,高反压二极管,反向康复时刻长,速度低,在电流接连状况,二极管是在有正向偏压时康复,反向康复时的能量损耗十分大,不利于 改换器功用的进步,轻则下降转化功率,整流管严峻发热,重则乃至焚毁整流管。因为在断续方式下,二极管是在零偏压状况下反向偏置,损耗可以降到一个比较低的水平。所以高压电源作业在断续方式,而且作业频率不能太高。 还有一类反激式电源作业在临界状况,一般这类电源作业在调频方式,或调频调宽双方式,一些低本钱的自激电源(RCC)常选用这种方式,为确保输出安稳,变 压器作业频率跟着,输出电流或输入电压而改动,挨近满载时变压器一直坚持在接连与断续之间,这种电源只适宜于小功率输出,不然电磁兼容特性的处理睬很让人头痛。

  反激开关电源变压器应作业在接连方式,那就要求比较大的绕组电感量,当然接连也是有必定程度的,过火寻求肯定接连是不实际的,有或许需求很大的磁芯,十分多的线圈匝数,一起伴跟着大的漏感和散布电容,或许因小失大。那么怎么确认这个参数呢,经过屡次实践,及剖析同行的规划,自己以为,在标称电压输入时,输出到达50%~60%变压器从断续,过渡到接连状况比较适宜。或许在最高输入电压状况时,满载输出时,变压器可以过渡到接连状况就可以了。

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