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.