电源工程师的理论知识、实践技能与工程素质

1开关电源开发人员所需具备的理论知识实践技能和工程素质张兴柱博士（2008年4月完成）2内容目录1：开发一个开关电源产品所需要的技能和专业理论知识2：开发一个开关电源产品所需要进行的各种优化和折中3：保证开关电源产品一次开发成功所需具备的工程素质3一：开发一个开关电源产品所需要的技能和专业理论知识41：开关电源概况---因电子技术、自动化技术、IC技术等等的迅速发展，导致了多种多样的电子设备；如：计算机、电视机、通信设备、工业控制设备、手机数码相机、DVD、服务器、路由器、电机驱动、医疗仪器、。。；---电子设备内部的各种IC、电子电路、执行装置所需的电源，多为直流电和交流电；---从电网所得的交流电或由电池所得的直流电是随环境、时间和负载所变化的，它们不能直接成为电子设备所需的内部电源；---电子设备由于要完成许多高级的功能、对其供电电源的精度、随环境的变化、动态响应能力、还有很多其它的指标都有非常高的要求；将电网或电池的一次电能，转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备便是电源。电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。1）电源是什么？52）开关电源是具有最高功率密度的电源，按变换方式可分为下列四大类：（1）：第一大类：AC/DC开关电源；（2）：第二大类：DC/DC开关电源；（3）：第三大类：DC/AC开关电源；（4）：第四大类：AC/AC开关电源。但目前只将前两类称为开关电源，而将后两类分别称为逆变器和变频器。3）实际的开关电源在应用时可分成外置式和内置式两种：（1）：外置电源---与设备分开放置的电源模块或电源系统；如：--通信用一次电源模块和系统；--电力操作电源模块和系统；--手机电池的充电器；--笔记本电脑的Adapter；--各类手提设备、便携设备的电池充电器，等等。6（2）：内置电源---放在设备内部的电源模块或电源系统；如：--计算机内部的SilverBox和VRM；--家电（如普通电视机、PDP电视机、液晶电视机）内部的供电电源；--工业控制设备内部的电源；--仪器中用的电源；--通信设备内部的电源模块和系统；--复印机、传真机、打印机等的内部电源，等等。（3）：板上电源---放在设备内单板上的电源模块；如：--标准砖类电源（全砖、半砖、1/4砖、1/8砖）；--非隔离POL（PointofLoad）变换器；--VRM和VRD；--小功率SMD电源；--SIP和DIP电源，等等。下面我们来看一些电源产品的图片。（这些图片摘自相关电源公司网站）7A：一次电源产品的图片（AC/DC）FPSSeriesofLambdaTHSeriesofLambda8B：工业电源产品的图片—标准产品（AC/DC）CPCISeriesofLambda9C：工业电源产品的图片（AC/DC）HWSSeriesofLambda10D：工业电源产品的图片（AC/DC）DTSeriesofLambdaKWSeriesofLambda11E：工业电源产品的图片（AC/DC）12F：二次电源产品的图片（DC/DC）--标准转类FullBrickHalfBrickHalfBrick1/4Brick1/8Brick13G：二次电源产品的图片（DC/DC）142：开发一个开关电源产品所需要的基本技能1）：认识组成开关电源的所有元器件。2）：掌握各种元器件的电气性能和电路符号。3）：会自己制作各种磁芯元件。4）：会正确装配电源中的各个部分。5）：了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法。6）：会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试，优化和折中。7）：会对获得的实验结果进行分析，并进行总结。8）：会从不同的渠道不断地学习电源知识，并能和别人分享自己的成果。上面要求的基本技能，请与会者自己对照一下，有不够的地方，则要努力去做，因为这是最基础的。下面将给大家详细介绍一下所需要掌握的专业理论知识。153：开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识从下面一个开关电源产品例子着手，来看看开发人员需要掌握的专业理论知识有哪些？这个例子是一个标准的多输出电源（CPCI350），其规格和要求等先简单地概括如下：1）：稳态设计规格01：输入电压范围：85V~264VAC；02：输出#1：5V/50A输出#2：3.3V/40A，满足：输出#3：12V/12A输出#4：-12V/4A，满足：03：输出电压纹波：04：模块满载效率：05：输入功率因数：0.99typ06：电压调整率：07：负载调整率：输出#1，其它输出08：模块几何尺寸：09：模块环境温度：10：温度系数：11：输出保持时间：AIIoo5521≤+WPjoj35041≤∑=ojVΔ)4~1(=j%70≥%5.0±≤%1±≤%3±≤)()()(cmHcmWcmL××C°−50~20%02.0≤mS16162）：设计必须实现的功能01：全范围内的正常开关机；02：全范围内的输出稳压且满足各项电性能指标；03：实现规格书要求的自动保护；04：输出#1~输出#3的输出并联均流；05：输出#1和输出#2的远端补偿；06：实现规格书的安全要求；07：实现规格书的EMI要求；08：实现规格书的热插拔要求；09：实现规格书的MTBF要求；10：实现规格书的成本要求；11：实现规格书的通断逻辑功能要求。173）：CPCI350的功能结构总框图EMI滤波器整流电路浪涌限制保险丝BOOST电路PFC控制输入欠压掉电检测关PFCDC-DC电路VinIinVpfc驱动控制控制Vo15V/50A3.3V/40AVo2Vo312V/12AVo4-12V/4A驱动和后调控制Vo1Vo2Vo3Vo4Io1Io2Io3Io45Vsense3.3Vsense12Vsense5Vshare3.3Vshare12VshareDC-DC控制辅助电源面板指示输入ok故障LNEN#INH#FAIL#DEG#Temp检测18案例CPCI350电源中DC-DC控制部分的功能结构框图PWM控制和驱动电路Vref5S-SVo1均流环SB1Io1电压环限流环Vref3.3S-SVo2电压环MA2控制SB2Io2均流环Iref限流环电压环MA3控制Vref12S-SVo3均流环SB3Io3限流环VrefVo4电压环MA4控制Io4Iref限流环输出电压信号Temp检测输入掉电Io1，Io2保护控制与LED电路EN#INH#开关机控制Is输出FET的控制电路其中蓝色方框用来实现基本稳压功能的；绿色方框用来实现并联和热插拔等高级功能的；红色方框用来实现各种保护功能。194）：从CPCI350的功能结构总框图可知，一个开关电源产品需要的电路为：（1）：功率电路：---输入保险丝；---EMI滤波器；---浪涌限制器（通常为热敏电阻和电子开关并联）；---整流电路；---PFC主电路（多为Boost电路）；---DC-DC主电路（可有很多种选择）；---辅助电源主电路（多用Flyback电路）；---输出隔离器件（OringDiode或OringMOSFET）；20（2）：控制电路：---PFC控制电路；用来产生输入正弦电流和输出近似稳压的控制电路（有多种控制实现）；---DC-DC控制电路；a）：用来稳定各路输出电压；b）：用来保护各路输出过载和短路；c）：用来实现主要几路的输出均流和远端补偿；d）：用来限制总输出功率要求和两路输出电流之和要求；e）：用来实现热插拔功能所需的控制—遥控开关机控制；f）：用来实现输出OringMOSFET的控制*；g）：用来保护主要几路输出的过压；h）：用来实现电源的过温保护；i）：用来分别指示工作ok和故障；j）：用来产生两路低压大电流输出的同步整流控制*；k）：用来弥补线路电压降的远端补偿技术；l）：用来实现非主路输出稳压的后调稳压控制；---辅助电源控制电路；---输入欠压掉电检测电路；输入欠压时，产生保护信号关闭PFC；输入掉电时，产生掉电告警信号；---输入浪涌控制电路；产生控制信号去控制浪涌控制器中的电子开关闭合，等等。215）：开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识：（01）：有源PFC的拓扑，分析，控制与设计。（02）：DC-DC功率变换器的拓扑与稳态分析。（04）：开关电源的控制与动态分析。（03）：开关电源的功率级参数设计（06）：开关电源的大信号分析与设计。（05）：开关电源的小信号分析与设计。（07）：开关电源的EMI分析与设计。（10）：开关电源的各种保护技术。（11）：开关电源的同步整流技术。（12）：开关电源的模块均流控制技术。（09）：开关电源的容差分析与设计。（08）：开关电源的热分析与设计。22二：开发一个开关电源产品所需要进行的各种优化和折中231：开发一个开关电源产品所需要进行的各种优化1）：功率级参数的优化：在选定功率级拓扑后，可利用前面的知识和稳态工作点选择，对功率级参数进行优化，使得：---开关功率器件的损耗最小；---功率变压器和滤波电感、滤波电容等的体积最小；---电源整机的功率密度最高；---功率级的Layout最合理，等等。在这些优化中，最重要的是功率变压器的优化，其变比，其绕法都会直接影响其它功率元器件的选择和整个功率级的效率及功率密度。合理地选择功率开关器件和它们的驱动电路及吸收电路，对功率级的性能也很重要。242）：环路参数的优化：在选定功率级拓扑和控制策略后，可利用前面的知识并在功率级参数优化的基础上，对环路参数进行优化，使得：---尽量减小闭环电压音频隔离度从而减小PFC滤波电容；---尽量减小闭环输出阻抗从而减小DC输出滤波电容；---尽量提高电源的闭环响应速度从而减小DC输出滤波电容；在环路优化中，最重要的是补偿器参数，调制器参数（如外部斜波补偿含量）和光耦电路参数的优化，其中电源整机的PCBLayout对环路的影响非常大，只有在好的PCBLayout下面，通过环路各部分参数的优化，才能使电源环增益的带宽尽可能大，从而实现更好的动态性能和更高的功率密度。253）：辅助电源参数的优化：在采用绕组供电的开关电源产品中，必须对辅助电源的质量进行优化，使得：---辅助电源对开关电源稳态性能的影响最小；---辅助电源对开关电源动态性能的影响最小；---辅助电源不会影响开关电源整机的可靠性；采用变压器绕组或电感绕组的辅助电源，其输出电压的质量一般不太好，通过对辅助电源的优化，要保证自供电后的电源整机性能变化最小，可靠性没有问题。264）：其它优化：---电源内各种保护电路的优化；---EMI滤波器电路的优化；---电源内部热环境的优化；---电源其它功能电路（如均流、同步、热插拔、远端补偿等等）的优化；---PCBLayout的优化，等等。272：开发一个开关电源产品所需要进行的各种折中1）：折中一：稳态性能与动态性能的折中很多功率级拓扑，其稳态性能与动态性能通常难以兼顾。稳态性能好的，动态性能就差，动态性能好的，稳态性能就差，这种例子非常多，所以选择拓扑时一定要根据要求和应用场合来合理选择。即使同一个拓扑，其功率级参数设计时，也要考虑稳态性能和动态性能的折中，如输出滤波电感的设计，对效率而言，希望其越大越好，但对动态性能而言，则希望其小一点好，所以设计时需要折中。2）：折中二：功率密度与可靠性的折中很多有更高功率密度的拓扑，其实现时会比较复杂，而且往往拓扑本身还有可靠性较低的隐患。所以选择拓扑时也要根据可靠性和性能来进行具体折中。如一些能实现软开关的拓扑，一般可实现更高的开关频率，具有更高的功率密度，但他们在实现的产品中，可靠性往往较低。283）：折中三：小信号性能与大信号性能的折中在一个电源中，有很多性能需要满足，利用不同的控制策略，不同的补偿电路，会得到不同的动态性能。有些控制策略或参数对输入端的扰动具有较强的抑制能力，有些则对负载端的扰动具有较强的抑制能力，有的参数对小信号动态稳定性很好，但在大信号下，且可能不稳定，有的参数能满足大信号的要求，但小信号下且会变差，因此要对大小信号的动态设计进行折中。4）：折中四：高低温下的设计折中在