電源可靠性的設計

　　生活當中我們經(jīng)常會(huì )遇到電源壞掉的問(wèn)題，比如手機適配器、PC電源以及一些小家電的電源。當我們遇到這些問(wèn)題時(shí)總是感嘆電源的不可靠，那么我們怎樣才能設計出穩定可靠電源呢?下面就讓我們一起來(lái)總結一下那些影響電源可靠性的因素。

　　1、電壓應力

　　電源電壓應力是保證電源可靠性的一個(gè)重要指標。在電源中有許多器件都有規定最大耐壓值，比如：場(chǎng)效應管的Vds和Vgs、二極管的反向耐壓、IC的最大VCC電壓以及輸入輸出電容的最大耐壓。所以我們設計時(shí)必須要考慮到器件要承受的最大電壓。再根據電壓選擇適當器件，最后再進(jìn)行實(shí)際測試加以驗證。但在測試時(shí)我們必須測試電源所有工作狀態(tài)的電壓應力，以確保在最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顟B(tài)下也能留出約10%的安全裕量。

　　2、電流應力

　　電源電流應力往往與熱應力密切相關(guān)，比如二極管SK54最大平均電流為5A，但是它是在滿(mǎn)足熱應力降額前提下的極限參數。所以我們選擇器件時(shí)必須要同時(shí)滿(mǎn)足器件的電流應力與熱應力;在滿(mǎn)足器件熱應力的前提下，選擇合適額定電流值的器件方可保證電源可靠性要求。

　　3、反饋環(huán)路

　　反饋環(huán)路是電源的重要組成部分，我們設計電源時(shí)必須要保證反饋環(huán)路的穩定。所以我們設計環(huán)路參數時(shí)需要保持一定裕度;比如增益裕度一般保持在20db左右，相位裕度保持在45度左右，穿越頻率一般設置在開(kāi)關(guān)頻率的1/6。再實(shí)際測試加以驗證環(huán)路的穩定性。

　　4、磁性元件的磁飽和

　　我們在設計反激變壓器以及一些儲能電感時(shí)，設定最大磁通量Bm尤為關(guān)鍵。由于電源起機和短路保護時(shí)最大磁通量Bm大于穩態(tài)工作時(shí)的Bm，所以我設定變壓器的Bm時(shí)需要預留足夠的裕度。如圖 1所示，磁芯溫度為100℃曲線(xiàn)可知Bm=0.35T時(shí)磁芯接近飽和，所以出于對電源起機、輸出過(guò)流和短路等極限情況考慮，鐵氧體P4材質(zhì)的變壓器的穩態(tài)Bm一般小于0.25T。

　　圖 1

　　5、PWM的死區時(shí)間

　　對于半橋、全橋和LLC諧振等一些H橋或半H橋的拓撲電源，PWM的死區時(shí)間設定對電源可靠性至關(guān)重要。實(shí)際上設定死區時(shí)間實(shí)則為了避免上、下管直通從而導致電源炸機，也就是說(shuō)設定一段上、下管同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間，在上管關(guān)斷后延遲一段時(shí)間再導通下管或在下管關(guān)斷后延遲一段時(shí)間再導通上管，如圖 2所示td即為死區時(shí)間。

　　圖 2

　　6、電源的軟啟動(dòng)

　　電源的軟啟動(dòng)對降低場(chǎng)效應管和輸出二極管的尖峰電壓和尖峰電流有很大幫助，從而降低了其電壓應力和電流應力。但是對于LLC諧振電源來(lái)說(shuō)，軟啟動(dòng)對電源起機的可靠性非常關(guān)鍵;因為L(cháng)LC電源的IC是通過(guò)高頻掃描的方式啟動(dòng)的。如圖 3所示在IC啟動(dòng)時(shí)驅動(dòng)PWM頻率會(huì )從設定的最高頻率開(kāi)始慢慢恢復正常頻率，恢復時(shí)間也就是軟啟動(dòng)時(shí)間。在此期間電源工作在不穩定狀態(tài)，軟啟動(dòng)時(shí)間越長(cháng)，啟動(dòng)越安全;但軟啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)也會(huì )對電源帶容性負載能力和起機時(shí)間造成影響。

　　圖 3

　　7、保護電路

　　要確保電源可靠性除了做好以上六點(diǎn)以外，相應的保護電路也是不可或缺。保護電路具體有輸入欠壓保護、輸入過(guò)壓保護、輸出過(guò)流保護、輸出短路保護和輸出過(guò)壓保護等等。為避免輸入電壓過(guò)低時(shí)電源出現非正常工作的現象，電源需添加輸入欠壓保護;為避免輸入電壓過(guò)高，從而期間電壓應力超標，電源需添加輸入過(guò)壓保護;為避免輸出過(guò)流和短路從而導致器件過(guò)熱、磁飽和等現象，電源需添加過(guò)流保護和短路保護;為避免電源出現輸出電壓過(guò)高導致電源負載端損壞，電源需添加輸出過(guò)壓保護。

　　影響電源可靠性因素有很多，本文只談到了其中一部分，比如還有EMC、安規和過(guò)熱保護等都是影響電源可靠的關(guān)鍵的因素。我們設計電源可能不會(huì )太難，但要想設計出穩定可靠的電源絕不會(huì )太容易，設計時(shí)我們只有考慮所有可靠性因素并實(shí)際加以驗證，我們電源才算是穩定可靠的電源。