开关电源电路设计要点与调试--陶显芳

开关电源电路设计要点与调试开关电源电路设计要点与调试陶显芳2012.9.1512下面是本次技术交流的主要内容下面是本次技术交流的主要内容1.开关电源电路设计需要考虑的几个要素2.常用开关电源3.开关电源典型电路简介单IC开关电源自激式开关电源场效应管开关电源6.开关电源的安全设计7.开关电源调试方法要点2希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣希望从事开关电源设计的工程师对此感兴趣3开关电源电路设计需要考虑的几个要素♫1.01.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.安全与EMC9.可靠性1.1开关电源电路设计需要考虑的几个要素4开关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，使滤波电容以及开关变压器的体积都可以做得很小，因此，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。这种开关电源电路也很简单，但由于晶体管的导通和截至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。目前市面上出现的大部分都是这种开关电源。5开关电源输出功率输出功率在100～150瓦之间，如果对输出电压负载特性要求比较高，最好选用场效应管正激式开关电源，但正激式开关电源需要一个很大的储能滤波电感，并且开关管的耐压相对要求比较高，成本相应也比较高，因此，现在很少人使用。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，则可选用场效应管半桥式开关电源；输出功率在300瓦以上的，最好选用全桥式开关电源；输出功率在1000瓦以上的，最好选用IGBT管全桥式开关电源或推挽式开关电源。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，功率器件的体积也同步提升；工作频率越高，储能元器件的体积（开关变压器、滤波电容、滤波电感）就越小，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。6开关电源输出功率和工作频率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工作于大电流状态，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，并且输出功率一般都很小。7开关电源与电源开关管开关电源的负载特性也称输出特性，一般是指开关电源的瞬间负载能力或者调整能力。由于开关电源对负载的响应速度比线性电源差，当负载变化速度太快的时候，其输出电压的反应速度是跟不上负载变化的速度的，此时开关电源的输出电压会出现抖动，甚至变成正反馈，使抖动变得更厉害，这说明开关电源的控制特性已经变得很差。这是由于控制信号的延时时间过长，其输出电压的相位与负载变化的相位在某时刻已经出现反相的缘故。出现这种情况时，应该调整误差放大器的微分和积分的时间常数，以及误差放大器的平均放大倍数（增益）。开关电源的输入特性一般是指开关电源对输入电压的调整率和输入电压的工作范围。大多数开关电源只对输出电压进行取样控制，而对输入电压不进行取样控制，这样的开关电源一般输入电压的调整率都比较差，但由于大多数交流电网的电压都比较稳定，输入电压的调整率差一些对输出电压影响并不太大。大多数人关心的只是开关电源的输入电压的工作范围，现在大多数开关电源都能满足输入电压为AC110V~AC220V的范围，但开关电源的输入电压的工作范围太宽也会降低开关电源的工作效率。一般只有一些小功率开关电源，才会考虑比较宽工作电压范围。8开关电源的负载特性和输入特性现代开关电源一般对工作效率都要求很高，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，其损耗将会增大到4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。9开关电源的工作频率和工作效率开关损耗浅释晶体管的开关特性参数：1、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tr：集电极电流Ic上升到最大值Icm的10%所需时间。3、储存时间ts:从输入信号变负起，到集电极电流Ic上升到最大值Icm的90%所需时间。4、下降时间tf：集电极电流Ic从90%Icm下降到10%Icm所需时间。10图1-1-b纯电阻负载的开关损耗图1-1-a纯电阻负载开关电路开关损耗大小与开关管的4个开关时间大小的平方成正比；但在感性负载中，正激式输出和反激式输出，两种情况均不相同。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，从而会增加开关管的开关损耗，但对降低开关电源的辐射干扰也很有利。在基极接一电容降低开通和关断时间11图1-2-b开关电路各点波形及损耗图1-2-a增加开通和关断时间将增大开关损耗开关损耗浅释在反激式开关电源中，流过开关管的的电流是个锯齿波，开关管刚接通时，流过变压器初级线圈的电流非常小，而在开关管关断前，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，两者相差几十倍。12开关损耗浅释图1-3-a感性开关电路（反激式开关电源）图1-3-b反激感性负载的开关损耗t0Vcc00ibVinttVce0PdrPsfPctIcVcIc13图1-4-a感性开关电路（正激式开关电源）开关损耗浅释图1-4-b反激感性负载的开关损耗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。图1-5-a一种缩短开关时间的方法图1-5-b缩短开关时间可减小开关损耗开关损耗浅释降低开关管的损耗最有效的方法是减小开关管的开通时间和关断时间。上图是一种降低开关管的开通时间和关断时间的方法。图中，Cb为加速电容，当信号为正时，可以给开关管瞬间提供较大的基极电流，以加速开关管导通；当信号为负时，电容两端的电压可以向开关管反放电，以加速开关管截止；Db为抗饱和二极管，当基极电位高于集电极电位时，此二极管导通，防止开关管深度饱和，以使开关管在关断时迅速退出饱和区。14开关电源变压器的损耗A图1-6开关电源变压器的磁滞损耗和涡流损耗开关变压器的磁滞损耗的大小与磁感应强度增量的平方成正比，与工作频率成正比，与导磁率成反比。对于双激式开关变压器，还可以表示为，磁滞损耗的大小与最大磁感应强度Bm的平方成正比。变压器铁芯的涡流损耗，与磁感强度增量和铁芯的体积成正比，与铁芯片厚度的平方成正比，与电阻率及脉冲宽度的平方成反比。15一款电源的辐射干扰超标20db，采用下述方法处理后，完全达标。（1）在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地；（2）在所有的整流二极管的一端串联一小磁珠；（3）在所有的整流二极管两端并联一个470p电容。问：你认为，有没有道理？分析：（1）在开关管的控制极串联一电阻，并在控制极并一50p的电容到地，会增大开关管的开通和关断时间，从而增大开关管的开关损耗，这种方法是不可取的。（2）在所有的整流二极管的一端串联小磁珠，相当于在整流滤波回路中串联一个高频小电感，这样可以降低整流滤波回路的电流上升率（di/dt），对降低辐射干扰有好处，这是一种比较常用的抑制EMI辐射干扰的好方法。（3）在所有的整流二极管两端并联一个470p电容，可以降低整流二极管的反向电压上升率（dv/dt）和电流上升率（di/dt），对降低由二极管两端（相当于发射天线）产生的辐射干扰有好处，但并联电容也会增大整流滤波回路的电流上升率（di/dt），从而会增大由电流回路产生的EMI辐射干扰；另外，并联电容还会增大整流输出电压的纹波，这种高频纹波一般需要在整流滤波电路中串联一个小电感才能滤除。因此，这种在整流二极管两端并联一个电容的方法，有一利，也有一弊。如果整流二极管带散热片，这相对增大了整流二极管的辐射天线面积，即：二极管的辐射会增强；为此，在其两端并联一个小电容，这种方法对降低二极管本身的EMI辐射是比较有效的；如果整流二极管的体积比较小，在其两端并联电容的方法，可能结果适得其反。讨论题1617常用开关电源开关电源电路设计♫2.0常用开关电源A、单激式电源：1.单IC开关电源2.晶体管自激式开关电源3.场效应管反激式开关电源4.场效应管正激式开关电源B、双激式开关电源：5.推挽式开关电源6.半桥式开关电源7.全桥式开关电源8.软开关电源18前面3种电源几乎占了目前电源市场的80%以上，后面5种电源主要用于输出功率大于150W以上，或功率密度要求较高的开关电源。19各种开关电源的基本特性上面列出的8种基本开关电源基本上是按输出功率大小来排序的，前面3种开关电源都是反激式开关电源，其输出功率基本上可以满足2～150瓦的应用范围，反激式开关电源电路相对比较简单，成本较低，目前在市场上占有量大约为80%。第4种开关电源是正激式开关电源，正激式开关电源与反激式开关电源的最大区别是，正激式开关电源在开关管导通期间输出功率，而在开关管截止期间不输出功率；反激式开关电源正好相反，在开关管导通期间不输出功率，而在开关管截止期间输出功率。正激式开关电源在输出功率期间，不会对变压器铁心进