工程師不可不知的開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵設計(二)
1:常用的開(kāi)關(guān)電源的原理——單端自激boost升壓電路

如上圖,開(kāi)關(guān)電源利用電感電流不能瞬間改變的原理,用ctrl信號打開(kāi)三極管,使得Vin通過(guò)電感和三極管向地流動(dòng)。由于電感電流不能突變,因此,這個(gè)回路不能理解成短路,應理解成給電感充能。充能是通過(guò)電感流過(guò)的電流不斷增大體現的,電流越大,電感的儲能越多。
當電感電流增加到一定程度,用ctrl關(guān)閉三極管。則電感電流的回地的路就被切斷。同樣由于電感電流不能突變,因此,電流就會(huì )通過(guò)二極管流向電容。這樣就完成一次電感通過(guò)二極管給電容充電的過(guò)程。Ctrl信號周期性不停止的復現,宏觀(guān)上就形成從vin不斷流向電容的電流。這個(gè)過(guò)程與vout和vin電壓孰高孰低無(wú)關(guān)。意味著(zhù)可升壓,也可降壓。
上面說(shuō)的切斷電感電流,迫使電流流向改變,一般叫做“反激”,上圖的電感只有一個(gè),反激點(diǎn)只有一個(gè),叫做單端。有的電路用2個(gè)電感,交替進(jìn)行電流流動(dòng)。做直流逆變交流時(shí),一般用2個(gè)電感,形成推挽效果。
2:如何實(shí)現穩壓
上圖是原理。由于vout的負載不確定,因此,vout不可能穩定在我們期望的電壓上,可能是升壓,也可能是降壓。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是利用vout的電壓進(jìn)行反饋。當vout電壓低于期望值時(shí),反饋信號就會(huì )調整ctrl,使它打開(kāi)三極管的時(shí)間相對延長(cháng)。則電感充能更多,從而使vout上升。反過(guò)來(lái)也一樣。
這樣ctrl信號就有了個(gè)名字,叫pwm。一般是改變它的占空比。當vout電壓不夠時(shí),增加pwm信號占空比,使得更多的電能流向vout。
3:占空比
從原理容易理解,pwm信號不能達到100%占空比,那樣就真的短路了。當pwm信號占空比大到一定程度時(shí),也就是剛好有時(shí)間讓三極管能開(kāi)關(guān)時(shí),電感的充能達到極大值。這個(gè)電能必須能滿(mǎn)足后續電路的消耗。這樣就能使vout穩定在我們需要的電壓上。
4:實(shí)用電路
有許多成熟芯片提供Pwm信號的產(chǎn)生,并提供反饋電壓調整pwm的占空比,這類(lèi)芯片叫開(kāi)關(guān)電源芯片,是專(zhuān)門(mén)用來(lái)設計開(kāi)關(guān)電源的。下圖附一個(gè)成熟電路,是筆者在工程中應用的。

這個(gè)芯片把三極管集成到芯片內部,因此應用比較簡(jiǎn)單。因為它能提供的電流很小,是給lcd供電的。+12V后面還有一個(gè)10uF/25V的電容。
5:設計開(kāi)關(guān)電源要注意的幾個(gè)問(wèn)題
A:注意電感的選擇,應參照芯片資料,切忌理解成輸出電流多大就用多大的電感,這是許多新手容易理解錯的地方。例如,輸出電流是0.5A,電感可不要選0.5A的哦,要按資料來(lái)選,一般是1A左右。如果電感的電流參數選小了,會(huì )很熱。二極管也一樣,電流參數不能按最終輸出電流選。電感值的大小涉及到飽和電流的問(wèn)題,即電流大到一定程度后呈現飽和狀態(tài),電流則會(huì )瞬間增大,不再受電流不能突變的約束。因此選擇電感時(shí),可以比資料的推薦值稍大一些。因為電感的誤差比較大,市場(chǎng)常見(jiàn)的電感是±20%,所以寧大勿小的原則。買(mǎi)電感時(shí)要注意。
B:第1節的圖里的三極管,從原理易得:其導通電阻越小越好,開(kāi)關(guān)響應越快越好。這2個(gè)因素是決定效率的最主要的2個(gè)方面。一般選擇mos管,要注意mos管的導通電阻和柵極寄生電容。芯片的輸出能否驅動(dòng)得了柵極,如果驅動(dòng)柵極的能力不夠,應使用LM5111等驅動(dòng)芯片。
C:開(kāi)關(guān)電源的噪聲比較大,尤其它是給后續電路提供電源的,這使得后續電路的電源從骨子里就帶噪聲。這種噪聲的消除,需要使用濾波電路,必要時(shí)用π型濾波。濾波要消耗電能,這與要達到的穩壓效果成為一對矛盾,需要工程師權衡為達到某效果需要付出多大的濾波消耗。在開(kāi)關(guān)電源后面串聯(lián)線(xiàn)性電源(例如7805等)不能顯著(zhù)消除噪聲。一味加大電容也不是辦法,噪聲仍然能夠通過(guò)。不要期望既不付出電能消耗,又能消除噪聲。但是串聯(lián)電感器件的濾波電路確實(shí)更加節省一些。
D:開(kāi)關(guān)電源兩端隔離的做法是用3個(gè)線(xiàn)圈共軛,一個(gè)用于自激充能,一個(gè)用于輸出,一個(gè)用于電壓反饋。值得一提的是,這種隔離不能消除開(kāi)關(guān)引起的各種噪聲。噪聲會(huì )沿著(zhù)共軛電感傳遞,而且噪聲的損耗很小。由于電壓反饋變成非直接的反饋,這種電源一般具有較大的誤差,但精度受影響很小,一般都帶輸出電壓調整。市場(chǎng)常見(jiàn)的模塊電源一般都帶電壓微調。
E:開(kāi)關(guān)電源的地的布線(xiàn)。為了減少噪聲,需給噪聲盡量短的回地路線(xiàn)。第1節的圖中用了2個(gè)地符號。這2個(gè)地最終要接在一起,需要注意的是,vout后端有個(gè)電容,在這個(gè)電容的負端把2個(gè)地接在一起。這樣,開(kāi)關(guān)芯片的噪聲能最大程度的消耗在自己那邊,能大大改善vout的噪聲。
F:設計開(kāi)關(guān)電源時(shí),功率設計要至少保留1倍的余地,例如設計5V1A的開(kāi)關(guān)電源,最大功率輸出要能達到2A。不要按需求設計成1A的,那樣會(huì )使pwm占空比接近最大值,電感、mos管等都會(huì )發(fā)熱。一般掌握在穩定輸出時(shí),pwm在50%或稍小為宜。這樣整個(gè)電路工作在一個(gè)“比較舒服”的情況下,噪聲、發(fā)熱等各方面綜合性能都比較好。
G:開(kāi)關(guān)電源的保護。從第1節的圖可以看出,當某種原因造成ctrl電平為常高時(shí),會(huì )導致電感和三極管燒毀。Ctrl常低還好些,但是vin會(huì )串到vout上,對后續電路造成欠壓供電。常用的保護是在vin前端串聯(lián)一個(gè)過(guò)流保護器件,它一般是熱保護,電流過(guò)大會(huì )斷開(kāi)。過(guò)一會(huì )兒又導通。
四、開(kāi)關(guān)電源的熱設計方法解析
開(kāi)關(guān)電源已普遍運用在當前的各類(lèi)電子設備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高達數百瓦每立方英寸.由于開(kāi)關(guān)電源中使用了大量的大功率半導體器件,如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場(chǎng)效應管等器件。它們工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量,如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì )影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作,嚴重時(shí)會(huì )損壞開(kāi)關(guān)電源.為提高開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性,熱設計在開(kāi)關(guān)電源設計中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節。
1.熱設計中常用的幾種方法
為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去,一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮: 使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬pcb、散熱膏等.在實(shí)際設計中要針對客戶(hù)的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。
2.半導體器件的散熱器設計
由于半導體器件所產(chǎn)生的熱量在開(kāi)關(guān)電源中占主導地位,其熱量主要來(lái)源于半導體器件的開(kāi)通、關(guān)斷及導通損耗.從電路拓撲方式上來(lái)講,采用零開(kāi)關(guān)變換拓撲方式產(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過(guò)零時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷可最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗但也無(wú)法徹底消除開(kāi)關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.
2.1 散熱器的熱阻模型
由于散熱器是開(kāi)關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開(kāi)關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導率比鋁高2倍但其價(jià)格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來(lái)講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示
半導體結溫公式如下式如示:
pcmax(ta)= (tjmax-ta)/θj-a (w) -----------------------(1)
pcmax(tc)= (tjmax-tc)/θj-c (w) -----------------------(2)
pc: 功率管工作時(shí)損耗
pc(max): 功率管的額定最大損耗
tj: 功率管節溫
tjmax: 功率管最大容許節溫
ta: 環(huán)境溫度
tc: 預定的工作環(huán)境溫度
θs : 絕緣墊熱阻抗
θc : 接觸熱阻抗(半導體和散熱器的接觸部分)
θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)
θi : 內部熱阻抗(pn結接合部與外殼封裝)
θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)
根據圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫(xiě)為:
θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
又因為θb比θs +θc+θf大很多,故可近似為
θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)
?、賞n結與外部封裝間的熱阻抗(又叫內部熱阻抗) θi是由半導體pn結構造、所用材料、外部封裝內的填充物直接相關(guān).每種半導體都有自身固有的熱阻抗.
電源濾波器相關(guān)文章:電源濾波器原理
評論