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非常经典的几个开关电源设计问题!

文章来源:    时间:2019-01-13

 
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!
 
 
电源的传导是怎么形成的?传导的途径有哪些?常用的手段?电源的辐射受哪些东西影响?怎么做大功率的EMC。
 
电源传导测量方式是通过接收输入端口L,N,PE来自电源内部的高频干扰(一般150K到30M)。
 
解决传导必须弄清楚通过哪些途径减弱端口接收到的干扰。
 
如图:一般有二种模式:L,N差模成分,以及通过PE地回路的共模成分。有些频率是差共模均有。
 
通过滤波的方式:一般采用二级共模搭配Y电容来滤去,选择的方式技巧也很重要,布板影响也很大。一般靠近端口放置低U电感,最好是镍锌材质,专门针对高频,绕线方式采用双线并绕,减少差模成分。
 
后级一般放置感量较大,在4MH到10MH附近,只是经验值,具体需要与Y电容搭配。X电容滤差模也需要靠近端口,一般放在二级共模中间。放置Y电容,电容布板时走线需要加粗,不可外挂,否则效果很差。(这些只是输入滤波网络上做文章)
 
当然也可以从源头上下手,传导是辐射耦合到线路中的结果,减弱了开关辐射也能对传导带来好处。影响辐射的几处一般有MOS管开通速度,整流管导通关断,变压器,以及PFC电感等等。这些电路上的设计需要与其他方面折中不做详述。
 
一些经验技巧:针对大功率的EMC一般需要增加屏蔽,立竿见影,屏蔽的部位一般有几处选择:
 
第一:输入EMI电路与开关管间屏蔽,这对EMC有很大的作用,很多靠滤波器无效的采用该方法一般很有效果。
 
第二:变压器初次级屏蔽,一般设计变压器若有空间最好加上屏蔽。
 
第三:散热器的位置能很好充当屏蔽,合理布板利用,散热器接地选择也很重要。
 
第四:判断辐射源头位置,一般有几个简单的方法,不一定完全准确,可以参考,输入线套磁环若对EMC有好处,一般是原边MOS管,输出线套磁环若对EMC有效果,一般是副边输出整流管,尤其是大于100M的高频。可以考虑在输出加电容或者共模电感。
 
当然还有很多其他的细节技巧,尤其是布板环路方面的,后面对LAYOUT会单独讲解。
 
 
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。
 
 
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。
 
 
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。
 
 
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。
 
 
电源中的热设计,散热器是怎么选择的?散热器设计需要考虑什么?
 
散热器的设计是开关电源的一个重点,散热器主要是针对我们的发热器件温升过高,需要采用散热器来降低热阻来达到降低温升的作用!
 
主要发热器件:整流桥,MOS管,整流二极管,变压器,电感等等。
 
散热器的大小选择一般根据损耗的功率,需要的温升来计算热阻,根据热阻来选择相应面积的散热器 。
 
当然也需要一些辅助的方式,比如在器件和散热片间涂散热膏,有会有些效果。比较小的空间可采用型材散热,体积小,散热面积大。
 
特殊器件有特殊的处理:如变压器可将变压器底下的PCB板挖空散热,也可以在变压器上用导热泥贴散热片的方式。电感也可以加铜环散热等等。
 
 
搞电源不懂市场?你搞的电源何去何从?开发出了没用?替老板赚到钱才有用。
 
终于到了最后一个问题,电源市场问题一般工程师可能关注的少,注重研发是错误。项目成功不是做出来,而是赚到少的钱。
 
举个例子:你一年做了三个项目累死累活,赚了100万,另一个人一年就做了一个项目,比做三个项目轻松多了,一年赚了1000万,老板喜欢哪个?
 
有的人说项目又不是我们选择,怎么知道赚不赚钱,但是赚钱项目的特点我们要熟悉啊,什么样的电源市场上比较火啊,你清楚吗?按照自己公司现有的模式来开发,有没有和大公司的设计差距啊。不是说项目能不能做出来,而是能不能最优的做出来,其实站在研发角度也就是如何选择最优拓扑,做省方案.
 

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