开关电源设计要点与调试-专题培训资料（PDF194页）

陶显芳2017.12.5开关电源设计要点与调试开关电源设计要点与调试2需要考虑的几个要素需要考虑的几个要素需要考虑的几个要素需要考虑的几个要素♫1.01.01.01.0开关电源设计要点开关电源设计要点开关电源设计要点开关电源设计要点1.1.1.1.开关电源的输出功率2.成本3.体积4.工作效率5.工作频率6.输出负载特性7.输入电压特性8.可靠性9.安全与EMC31.01.01.01.0开关电源电路设计需要考虑的几个要素开关电源电路设计需要考虑的几个要素开关电源电路设计需要考虑的几个要素开关电源电路设计需要考虑的几个要素41.11.11.11.1开关电源输出功率开关电源输出功率开关电源输出功率开关电源输出功率
电源输出功率的大小，决定开关电源选择什么样的工作方式或电路，从性价比方面来考虑，一般输出功率低于5瓦的开关电源，最好选用反激式单IC开关电源，如FSD200、ICE2A0565等。这些单IC开关电源把驱动电路和电源开关管同封装在一个壳体中，其电路很简单，并且工作频率很高，因此，滤波电容以及开关变压器的体积都可以做得很小，开关电源的体积做得非常小。
单从成本方面考虑，20瓦以下的开关电源，也可以选用晶体管自激式开关电源。这种开关电源电路相对比较很简单，但由于晶体管的导通和关断时间相对比场效应管大很多，因此，这种开关电源一般工作频率不能选得很高，所以体积相应要大一些。随着输出功率增大，自激式开关电源的工作频率也要相应降低，其在成本方面就不再具有优势。
输出功率在15～100瓦之间，如果对输出电压负载特性要求不是很高，最好选用带驱动IC的场效应管反激式开关电源；如果对输出电压负载特性要求比较高，可选用场效应管正激式开关电源，但正激式开关电源体积比较大，成本也较高。51.21.21.21.2开关电源输出功率和工作频率开关电源输出功率和工作频率开关电源输出功率和工作频率开关电源输出功率和工作频率
输出功率在120～300瓦之间，如果输入电压比较低，可选用推挽式开关电源；如果输入电压比较高，则可选用半桥式开关电源；输出功率为300瓦以上时，最好可选用全桥式开关电源。
输出功率在1000瓦以上的，最好选用IGBT管推挽式或半桥式、全桥式开关电源，IGBT管开关电源工作频率相对比较低，体积相对比较大。
开关电源的体积很大程度上与输出功率及工作频率有关。输出功率越大，功率器件的体积相应也会增大；工作频率越高，储能元器件（开关变压器、滤波电容、滤波电感）的体积相应会减小，但开关电源的损耗也会随着开关电源的工作频率升高而增加。因为，开关电源变压器的损耗和开关管的损耗都与工作频率有关，电感、电容器的损耗也与工作频率有关。开关管的损耗与工作频率成正比，因此，如果不是对开关电源的体积有特别要求，就不要把开关电源的工作频率取得很高，一般以开关管的损耗不超过总电源损耗的10%来决定开关电源的工作频率。61.31.31.31.3电源开关管的选择电源开关管的选择电源开关管的选择电源开关管的选择
在高压大功率场效应管还没有大量在市场上出现之前，开关电源基本上都是采用晶体管作为电源开关管。晶体管与场效应管的工作原理截然不同，晶体管是一个电流控制型器件，作为电源开关管，它需要较大的驱动电流，但控制电压却很低；而场效应管是一个电压控制型器件，作为电源开关管，它需要比较高的控制电压，但驱动电流却很小。
由于场效应管需要比较高的控制电压，而驱动电流却很小，因此，场效应管驱动电路的工作电流可以做得非常小，通常只有几个毫安到几十个毫安，只需通过一个降压电阻与输入电压端连接，就可以给场效应管驱动电路供电。而晶体管的驱动电路需要较大的工作电流，因此，晶体管驱动电路的供电问题相对难度比较大，这是阻碍晶体管开关电源一直停滞不前的大问题，直到IGBT管诞生以后，此问题才基本得到解决。
由于晶体管与场效应管工作原理上的区别，采用晶体管为电源开关管的开关电源与采用场效应管为电源开关管的开关电源，两者之间区别越来越大。目前大多数晶体管开关电源都是自激式开关电源，其输出功率一般都很小。
现代开关电源一般对工作效率要求都很高，如果要求开关电源的工作效率大于80%，则电源开关管的损耗最好不要超过10%，剩余的10%应留给开关变压器及整流器件的损耗。
电源开关管的开关损耗主要是开通损耗和关断损耗。开关管的开关损耗与负载特性有关，在一般情况下，感性负载的开关损耗要比纯电阻负载的开关损耗大；正激式开关电源的开关损耗要比反击式开关电源的损耗大；双激式开关电源的开关损耗要比单激式开关电源的开关损耗大。
开关管的开通和关断时间增大一倍，其损耗将会增大约2～3倍，电源开关管的开通和关断时间过大，不但增大开关管损耗，降低开关电源的工作效率，同时还会使开关管的温升提高，从而使开关管以及其它元器件，因温度过高而损坏。因此，在进行开关电源电路设计时，一定要把开关管的开关损耗放在第一位。当电源开关管的开通和关断时间，及负载一定时，开关管的损耗与开关电源的工作频率成正比；因此，在开关管的损耗被确定之后，开关电源的工作频率也基本被确定了。
开关变压器的涡流损耗、以及变压器线圈的铜阻损耗，与工作频率的平方成正比；磁滞损耗与工作频率成正比，因此，开关电源变压器的工作频率也不是随意选定的。71.41.41.41.4开关电源的工作频率和工作效率开关电源的工作频率和工作效率开关电源的工作频率和工作效率开关电源的工作频率和工作效率8开关电源的损耗与效率开关电源的损耗与效率开关电源的损耗与效率开关电源的损耗与效率♫2.02.02.02.0要点要点要点要点：：：：开关电源的损耗开关电源的损耗开关电源的损耗开关电源的损耗，，，，主要是开关管的损主要是开关管的损主要是开关管的损主要是开关管的损耗和变压器的损耗及整流二极管的损耗耗和变压器的损耗及整流二极管的损耗耗和变压器的损耗及整流二极管的损耗耗和变压器的损耗及整流二极管的损耗。。。。开关电源设计要点开关电源设计要点开关电源设计要点开关电源设计要点2.12.12.12.1开关电源损耗开关电源损耗开关电源损耗开关电源损耗
开关电源损耗主要有三个部分：1、开关管的损耗；2、开关电压器的损耗；3、整流二极管的损耗。
开关管的损耗主要有：开通损耗和关断损耗两个部分。
开关变压器的损耗主要有：磁滞损耗和涡流损耗两个部分。
整流二极管的损耗主要有：正向导通损耗和反向恢复损耗两个部分。
开关管的损耗主要与开关管的开通和关断时间有关，还与工作频率和负载特性有关。
开关管的开通和关断时间增大一倍，其损耗会增大约2～3倍；开关管的损耗与开关电源的工作频率成正比。
开关变压器的涡流损耗、以及变压器线圈的铜阻损耗，与工作频率的平方成正比；而磁滞损耗除了与工作频率成正比外，还与磁通密度的1.6次方成正比。
整流二极管的正向损耗与整流二极管的正向压降有关，反向恢复损耗则与二极管的反向恢复时间有关。
上面3项损耗大约占开关电源总损耗的20%以上，如何降低开关管的损耗，提高工作效率，这是每个设计师必须考虑的问题。92.22.22.22.2开关管的等效电路开关管的等效电路开关管的等效电路开关管的等效电路
晶体管（或MOS管）输入端可等效成一个电容与一电阻并联，其输入电压为：
晶体管（或MOS管）导通时输出端可等效成一个电感与电阻串联；关断时可等效成一个电容与一电阻串联；其输出电压为：
集电极电流为：offtRCtpontRCtPbeUeUu=-=-+-≈)()1(offtRCtcconttLRccceVeVu=-=--+≈)1()(offtRCtcconttLRccceRVeRVi=-=-+-≈)()1(图2-1-a晶体管开关电路图2-1-b晶体管开关等效电路10晶体管的开关特性参数：1、延时时间延时时间延时时间延时时间td：从输入信号Vin变正起，到集电极电流Ic上升到最大值Icm的10%所需时间。2、上升时间上升时间上升时间上升时间tr：集电极电流Ic从10%上升到最大值Icm的90%所需时间。3、储存时间储存时间储存时间储存时间ts:从输入信号变负起，集电极电流最大值Icm下降到90%所需时间。4、下降时间下降时间下降时间下降时间tf：集电极电流Ic从90%Icm下降到10%Icm所需时间。11图2-2-b纯电阻负载的开关损耗图2-2-a纯电阻负载开关电路2.32.32.32.3开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程----纯电阻负载纯电阻负载纯电阻负载纯电阻负载----1111N2RbVinVTVceVccN1Vi
在反激式开关电源中，流过开关管的的电流是个锯齿波，开关管刚接通瞬间，流过变压器初级线圈的电流非常小，而在开关管关断前的瞬间，流过变压器初级线圈的电流却很大；因此，开关管开始导通期间（td、tr)的损耗非常小，而关断期间（ts、tf)的损耗却非常大，两者相差数十倍。12图2-3-a反激式开关电源图2-3-b反激式开关电源的开关损耗t0Vcc00ibVinttVce0PdrPsfPctIcVcIc2.32.32.32.3开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程----感性负载感性负载感性负载感性负载----222213图2-4-a正激式开关电源图2-4-b正激式开关电源的开关损耗
在正激式开关电源中，流过开关管的电流是个梯形波，开关管刚接通时，流过变压器初级线圈的电流相对比较大；在开关管关断前，流过变压器初级线圈的电流比开关管刚接通时更大；因此，开关管开始导通期间（td、tr)的损耗和关断期间（ts、tf)的损耗都要比反激式开关电源大。
降低开关损耗的方法一个是尽量减小开关管的开通时间和关断时间，特别是要尽量减小关断时间，另一个是降低工作频率。2.32.32.32.3开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程开关管的导通与关断过程----感性负载感性负载感性负载感性负载----3333
纯电阻负载的开关损耗大小与开关管的4个开关时间大小成正比，增加开关管的开通时间和关断时间，会降低开关电路的电压、电流上升率，对降低开关电源的辐射干扰也很有利，但会增加开关管的开关损耗。
在感性负载中，正激式和反激式输出开关电源，两种开关损耗均不相同。在基极接一电容会降低开通和关断时间14图2-5-b开关电路各点波形及损耗图2-5-a增加开通和关断时间将增大开关损耗2.42.42.42.4开关时间对损耗的影响开关时间对损耗的影响开关时间对损耗的影响开关时间对损耗的影响152.52.52.52.5晶体管耗散功率的图解
一般功率器件的工作温度都会达到85℃（其中：环境温度为45℃+机内平均温升20℃+本身温升20℃）以上；当工作温度升高时，输出功率会线性下降。如图2-6，晶体管耗散功率的半功率点大约为87.5℃，即在此温度条件下，晶体管的耗散功率就会下降到只有最大值的二分之一。当温度达到115℃时，其耗散功率只有最大值的四分之一。
图2-7是场效应管雪崩击穿与温度的关系。场效应管被雪崩击穿的半能量点对应的结温度只有65℃，当场效应管的工作温度达到87.5℃时，其被雪崩击穿能量只有常温（25℃）时的四分之一（比晶体管小一倍）。
场效应管的高温性能要比晶体管差很多，因此，在一些高温设备中，最好不要选用场效应管。162.62.62.62.6场效应管耗散功率的图解
开关电源输出功率与晶体管或场效应管的工作温度（结温）有关，并且还与其它功率器件（如开关变压器）的温升有关。当晶体管的管壳温度升高到87.5℃时，其耗散功率将会下降到其最大耗散功率的二分之一；而对于场效应管，当管壳的温度升高到60℃时，其雪崩击穿的能量将会下降到其最大值的二分之一；当管壳温度升高到125℃时，开关电源的输出功率将会下降到0（结温比壳温约高25℃）。
晶体管的耗散功率与场效应管的雪崩击穿能量不是等同概念晶体管的耗散功率与场效应管的雪崩击穿能量不是等同概念晶体管的耗散功率与场效应管的雪崩击穿能量不是等同概念晶体管的耗散功率与场效应管