工程師技術(shù)分享：淺談綠色開(kāi)關(guān)電源的設計要點(diǎn)

早期的開(kāi)關(guān)電源由于技術(shù)不太成熟、器件性能的局限性，一些參數做得不太好像EMC難過(guò)關(guān)、待機功耗較大、效率不太高等。電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設備或系統在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設備在正常運行過(guò)程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。各種運行的電力設備之間以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關(guān)聯(lián)并相互影響，在一定的條件下會(huì )對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。20世紀80年代興起的電磁兼容EMC學(xué)科以研究和解決這一問(wèn)題為宗旨，主要是研究和解決干擾的產(chǎn)生、傳播、接收、抑制機理及其相應的測量和計量技術(shù)，并在此基礎上根據技術(shù)經(jīng)濟最合理的原則，對產(chǎn)生的干擾水平、抗干擾水平和抑制措施做出明確的規定，使處于同一電磁環(huán)境的設備都是兼容的，同時(shí)又不向該環(huán)境中的任何實(shí)體引入不能允許的電磁擾動(dòng)。

隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，器件的性能提高，特別是節能型電源芯片如雨后春筍般涌現，加上電路設計的成熟，要設計效率高、待機功耗小的節能型開(kāi)關(guān)電源已是不太難的事情，設計節能型開(kāi)關(guān)電源正是適應了節能減排的需求。

本人現在以圖一的電路圖為例，以美國加州能源之星法案(Ⅳ等級)Table U-2(2008年1月執行)為設計依據來(lái)闡述設計綠色開(kāi)關(guān)電源的要點(diǎn)。美國加州能源之星法案(Ⅳ等級)Table U-2的要求如下：

注意1：表中Pn是外置型開(kāi)關(guān)電源的標準輸出功率，Ln是自然對數。

注意2：美國加州“能源之星”是強制執行的，是美國加州地方法規。進(jìn)入美國加州的商品開(kāi)關(guān)電源必須遵守這一法規。我國不少廠(chǎng)商是按照美國加州“能源之星”法案來(lái)設計和生產(chǎn)綠色開(kāi)關(guān)電源的。

圖一所示是輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開(kāi)關(guān)電源，作為14英寸至17英寸的液晶顯示器的電源適配器之用。

綠色開(kāi)關(guān)電源的主要內容是效率高，待機功耗小。36W的效率要求大于83%，待機功耗要小于0.5W?，F在的電源芯片供應商提供的一般都是綠色電源芯片，待機功耗一般都會(huì )很小。但是，效率高除了與芯片有關(guān)外，還與其它器件有流+反向漏電流Idss×反壓，用6N60加散熱器可滿(mǎn)足要求。

二次整流管工作在高頻脈沖狀態(tài)下，在12V3A輸出時(shí)，要求工作耐壓大于輸出電壓的4倍，工作電流大于輸出電流的3倍，用耐壓60V，工作電流為16A的SB1660肖特基二極管可滿(mǎn)足要求，但一定要加散熱器。

電源芯片的功耗越小越好，因為它除了影響整機效率和待機功耗外，還涉及整機的工作穩定性，其功耗越大，溫升越高，工作越不穩定。如昂寶公司的綠色開(kāi)關(guān)電源芯片0B2269AP，其正常工作功耗小于30mW，工作穩定。

早期的開(kāi)關(guān)電源由于技術(shù)不太成熟、器件性能的局限性，一些參數做得不太好像EMC難過(guò)關(guān)、待機功耗較大、效率不太高等。然而，減小開(kāi)關(guān)電源的待機功耗、提高開(kāi)關(guān)電源的效率是大有潛力可挖的，是全球電源行業(yè)共同關(guān)注的問(wèn)題。

符合“能源之星”的開(kāi)關(guān)電源又叫“綠色開(kāi)關(guān)電源”，針對開(kāi)關(guān)電源的“能源之星”已經(jīng)有了多個(gè)版本，隨著(zhù)版本的升級，開(kāi)關(guān)電源的效率越來(lái)越高，待機功耗越來(lái)越小，但設計難度也會(huì )越來(lái)越大。開(kāi)關(guān)電源的效率一般在滿(mǎn)載輸出功率時(shí)測試，但CEC(美國加州)及“能源之星”規范中對設計的平均效率是在負載的四個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測量。開(kāi)關(guān)變壓器的損耗是整機損耗的大頭，它包括銅損和磁損。簡(jiǎn)單復制人家的優(yōu)質(zhì)開(kāi)關(guān)變壓器很難做成損耗小的開(kāi)關(guān)變壓器的，因為開(kāi)關(guān)變壓器的損耗是一個(gè)復雜的關(guān)系，與磁芯的品質(zhì)、設計、繞制工藝等有關(guān)。拿設計反激式開(kāi)關(guān)變壓器而言，它與工作頻率、導通時(shí)間、繞制方法、磁隙(磨磁芯)等有關(guān)。開(kāi)關(guān)變壓器的設計是設計開(kāi)關(guān)電源的核心，要有高深的理論知識和多年的經(jīng)驗沉淀，優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)電源設計工程師在選擇高品質(zhì)的磁芯、結合先進(jìn)的繞制工藝，能設計出效率高于97%的開(kāi)關(guān)變壓器。圖一中的開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯選用浙江天通的EE-30L，開(kāi)關(guān)工作頻率為65KHz，導通時(shí)間是0.42T(T是周期)，初級78圈，次級8圈，芯片供電繞組9圈，初級電感量1.2mH，漏感小于35uH，變壓器的效率可達96%，工作時(shí)溫升低于60℃。阻尼吸收網(wǎng)絡(luò )由R2、C3、D1組成，D1用UF4007，C3用1000V4700PF的高壓瓷片電容器，R2為120K2W的電阻，R2與C3配合得好，脈沖吸收效果明顯，R2與C3失配太多，不但損耗加大，還會(huì )輻射電磁波而使EMC過(guò)不了關(guān)。

由于二次整流管在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生尖脈沖，在輸出中會(huì )疊加雜波，并且還會(huì )輻射電磁波而使EMC難過(guò)關(guān)，故要在二極管兩端并聯(lián)尖脈沖吸收網(wǎng)絡(luò )R8與C8，圖一中C8為22000PF100V的瓷片電容、R8為56歐姆0.5W的碳膜電阻，此吸收網(wǎng)絡(luò )也是有一定功耗的，C8越大R8越小，損耗越大。

圖一尖脈沖吸收網(wǎng)絡(luò )的功率損耗小于0.25W。同樣要注意，吸收網(wǎng)絡(luò )的設計也與電源芯片、開(kāi)關(guān)頻率、肖特基二極管的特性、變壓器的設計有關(guān)的。

阻波電感L2能使輸出紋波減小，一般是用漆包線(xiàn)在6毫米粗的磁棒上繞8到16圈。要注意，由于要通過(guò)大電流，故漆包線(xiàn)要粗，圈數不要太多，以免產(chǎn)生過(guò)大的壓降而增大損耗。圖一中的L2的電感量為12uH，用粗0.8毫米的漆包線(xiàn)繞制，至于繞多少圈，要視磁棒的磁材料參數而定。

L2的設計與電源的工作頻率、輸出電流有關(guān)。特別提醒大家注意的是，DC輸出線(xiàn)(圖中未畫(huà))一定要達到或超過(guò)3A，否則，由于通過(guò)的