开关电源设计秘诀-1

电子创新网开关电源设计十二秘笈前言前言电源设计从过去到现在乃至到未来都将是工程师面对的一个难题，随着全球节能环保意识的提升，设计简捷、高效、轻巧的绿色电源成为工程师的首要任务，为了帮助工程师解决这方面的难题，电子创新网特别推出了《实用资料下载中心》栏目，提供大量实用资料供工程师朋友下载，我们发现，在这些资料中，下载最多的依然是电源设计资料，这些需求就是我们开发《开关电源设计12秘笈》电子书的初衷。《开关电源设计12秘笈》电子书将TI公司专家撰写的有关电源设计的12个秘笈集中起来，方便工程师朋友进行下载，这12个秘笈分别是：电源设计秘笈1：为您的电源选择正确的工作频率电源设计秘笈2：驾驭噪声电源电源设计秘笈3：阻尼输入滤波器系列之第1部分电源设计秘笈4：阻尼输入滤波器系列之第2部分电源设计秘笈5：降压—升压电源设计中降压控制器的使用电源设计秘笈6：精确测量电源纹波电源设计秘笈7：高效驱动LED离线式照明电源设计秘笈8：通过改变电源频率来降低EMI性能电源设计秘笈9：估算表面贴装半导体的温升电源设计秘笈10：轻松估计负载瞬态响应电源设计秘笈11：解决电源电路损耗问题电源设计秘笈12：电源效率最大化这里有详细的理论计算也有实际电路，相信对于工程师朋友的电路设计一定很大的帮助。这里我们要感谢TI公司提供了这么好的设计素材！也欢迎其他半导体公司提供更多设计素材指导本土设计工程师创新！未来，我们还将陆续推出免费的设计文档，敬请关注！张国斌电子创新网CEO电子创新网高级应用经理兼科技委员会的资深委员。他拥有在电源电子领域超过30年的工作经验，并为电源电子设计了从低功耗(sub-watt)到超低功耗(sub-megawatt)的磁性元件，工作频率在兆赫兹范围内。Robert毕业于得克萨斯A&M大学(TexasA&MUniversity)，获电子工程理学士学位，后又毕业于南卫理公会大学(SouthernMethodistUniversity)，获电子工程硕士学位。开关电源设计十二秘笈目录4电子创新网目录前言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2秘笈一为您的电源选择正确的工作频率••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6秘笈二驾驭噪声电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••8秘笈三阻尼输入滤波系列第一部分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11秘笈四阻尼输入滤波系列第二部分••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13秘笈五降压—升压电源设计中降压控制器的使用•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16秘笈六精确测量电源纹波••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18秘笈七高效驱动LED离线式照明••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20秘笈八通过改变电源频率来降低EMI性能•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22秘笈九估算表面贴装半导体的温升••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••25秘笈十轻松估计负载瞬态响应•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27秘笈十一解决电源电路损耗问题••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••29秘笈十二电源效率最大化••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••315电子创新网开关电源设计十二秘笈为您的电源选择正确的工作频率秘笈一为您的电源选择正确的工作频率欢迎来到电源设计小秘笈！随着现在对更高效、更低成本电源解决方案需求的强调，我们创建了该专栏，就各种电源管理课题提出一些对您有帮助的小技巧。该专栏面向各级设计工程师。无论您是从事电源业务多年还是刚刚步入电源领域，您都可以在这里找到一些极其有用的信息，以帮助您迎接下一个设计挑战。为您的电源选择最佳的工作频率是一个复杂的权衡过程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常来说，低频率设计往往是最为高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低成本，但会增加电路损耗。接下来，我们使用一款简单的降压电源来描述这些权衡过程。我们以滤波器组件作为开始。这些组件占据了电源体积的大部分，同时滤波器的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面，每一次开关转换都会伴有能量损耗；工作频率越高，开关损耗就越高，同时效率也就越低。其次，较高的频率运行通常意味着可以使用较小的组件值。因此，更高频率运行能够带来极大的成本节约。图1.1显示的是降压电源频率与体积的关系。频率为100kHz时，电感占据了电源体积的大部分（深蓝色区域）。如果我们假设电感体积与其能量相关，那么其体积缩小将与频率成正比例关系。由于某种频率下电感的磁芯损耗会极大增高并限制尺寸的进一步缩小，因此在此情况下上述假设就不容乐观了。如果该设计使用陶瓷电容，那么输出电容体积（褐色区域）便会随频率缩小，即所需电容降低。另一方面，之所以通常会选用输入电容，是因为其具有纹波电流额定值。该额定值不会随频率而明显变化，因此其体积（黄色区域）往往可以保持恒定。另外，电源的半导体部分不会随频率而变化。这样，由于低频开关，无源器件会占据电源体积的大部分。当我们转到高工作频率时，半导体（即半导体体积，淡蓝色区域）开始占据较大的空间比例。6电子创新网电源组件体积主要由半导体占据该曲线图显示半导体体积本质上并未随频率而变化，而这一关系可能过于简单化。与半导体相关的损耗主要有两类：传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中的传导损耗与MOSFET的裸片面积成反比关系。MOSFET面积越大，其电阻和传导损耗就越低。开关损耗与MOSFET开关的速度以及MOSFET具有多少输入和输出电容有关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体积器件具有较慢的开关速度以及更多的电容。图1.2显示了两种不同工作频率(F)的关系。传导损耗(Pcon)与工作频率无关，而开关损耗(PswF1和PswF2)与工作频率成正比例关系。因此更高的工作频率(PswF2)会产生更高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时，每种工作频率的总损耗最低。另外，随着工作频率提高，总损耗将更高。但是，在更高的工作频率下，最佳裸片面积较小，从而带来成本节约。实际上，在低频率下，通过调整裸片面积来最小化损耗会带来极高成本的设计。但是，转到更高工作频率后，我们就可以优化裸片面积来降低损耗，从而缩小电源的半导体体积。这样做的缺点是，如果我们不改进半导体技术，那么电源效率将会降低。7电子创新网提高工作频率会导致更高的总体损耗如前所述，更高的工作频率可缩小电感体积；所需的内层芯板会减少。更高频率还可降低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容，我们就可以使用更低的电容值或更少的电容。这有助于缩小半导体裸片面积，进而降低成本。如欲了解有关电源解决方案的更多详情，敬请访问。开关电源设计十二秘笈驾驭噪声电源8电子创新网秘笈二驾驭噪声电源无噪声电源并非是偶然设计出来的。一种好的电源布局是在设计时最大程度的缩短实验时间。花费数分钟甚至是数小时的时间来仔细查看电源布局，便可以省去数天的故障排查时间。图2.1显示的是电源内部一些主要噪声敏感型电路的结构图。将输出电压与一个参考电压进行比较以生成一个误差信号，然后再将该信号与一个斜坡相比较，以生成一个用于驱动功率级的PWM（脉宽调制）信号。电源噪声主要来自三个地方：误差放大器输入与输出、参考电压以及斜坡。对这些节点进行精心的电气设计和物理设计有助于最大程度地缩短故障诊断时间。一般而言，噪声会与这些低电平电路电容耦合。一种卓越的设计可以确保这些低电平电路的紧密布局，并远离所有开关波形。接地层也具有屏蔽作用。图2.1低电平控制电路的诸多噪声形成机会误差放大器输入端可能是电源中最为敏感的节点，因为其通常具有最多的连接组件。如果将其与该级的极高增益和高阻抗相结合，后患无穷。在布局过程中，您必须最小化节点长度，并尽可能近地将反馈和输入组件靠近误差放大器放置。如果反馈网络中存在高频积分电容，那么您必须将其靠近放大器放置，其他反馈组件紧跟其后。并且，串联电阻-电容也可能形成补偿网络。最理想的结果是，将电阻靠近误差放大器输入端放置，这样，如果高频信号注入该电阻-电容节点时，那么该高频信号就不得不承受较高的电阻阻抗—而电容对高频信号的阻抗则很小。斜坡是另一个潜在的会带来噪声问题的地方。斜坡通常由电容器充电（电压模式）生成，或由来自于电源开关电流的采样（电流模式）生成。通常，电压模式斜坡并不是一个问题，开关电源设计十二秘笈驾驭噪声电源9电子创新网因为电容对高频注入信号的阻抗很小。而电流斜坡却较为棘手，因为存在了上升边沿峰值、相对较小的斜坡振幅以及功率级寄生效应。图2.2显示了电流斜坡存在的一些问题。第一幅图显示了上升边沿峰值和随后产生的电流斜坡。比较器（根据