從設計到維修，全方位學(xué)習開(kāi)關(guān)電源

　　所謂開(kāi)關(guān)電源，是指利用現代電子電力技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和管段的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調制控制IC和MOSFER構成，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng )新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷創(chuàng )新。接下來(lái)給大家介紹一下開(kāi)關(guān)電源設計過(guò)程中的一些注意事項，同時(shí)還介紹到當開(kāi)關(guān)電源出現問(wèn)題的時(shí)候，如何快速的查找出開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)題所在。

　　開(kāi)關(guān)電源的布局

　　開(kāi)關(guān)電源是利用現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。

　　當設計高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí)，布局非常重要。良好的布局可以解決這類(lèi)電源的許多問(wèn)題。因布局而出現的問(wèn)題，通常在大電流時(shí)顯現出來(lái)，并且在輸入和輸出電壓之間的壓差較大時(shí)更加明顯。一些主要的問(wèn)題是在大的輸出電流和/或大的輸入/輸出電壓差時(shí)調節能力的下降，在輸出和開(kāi)頭波形上的額外噪聲，以及不穩定性。應用下面的幾個(gè)簡(jiǎn)單原則就可以把這類(lèi)問(wèn)題最小化。

　　電感器

　　開(kāi)關(guān)電源盡量使用低EMI（Electro Magnetic Interference）的帶鐵氧體閉合磁芯的電感器。比如圓形的或封閉的E型磁芯。如果開(kāi)口磁芯（open cores）具有較低的EMI特性，并且離低功率導線(xiàn)和元件較遠，也可以使用。如果使用開(kāi)口磁芯，使磁芯的兩極與PCB板垂直也是一個(gè)好主意。棒狀磁芯（stick cores）通常用來(lái)消除大部分不需要的噪聲。

　　反饋

　　盡量使反饋回路遠離電感器和噪聲源。還要盡可能使反饋線(xiàn)為直線(xiàn)，并且要粗一點(diǎn)。有時(shí)需要在這兩種方案之間折衷一下，但使反饋線(xiàn)遠離電感器的EMI和其它噪聲源是兩者當中更關(guān)鍵的一條。在PCB上使反饋線(xiàn)位于與電感器相對的一側，并且中間用接地層分開(kāi)。

　　濾波電容器

　　當使用小容量瓷質(zhì)輸入濾波電容器時(shí)，它應該盡可能靠近IC的VIN引腳。這將消除盡可能多的線(xiàn)路電感影響，給內部IC線(xiàn)路一個(gè)更干凈的電壓源。開(kāi)關(guān)電源一些設計需要使用前饋電容器從輸出端連接到反饋引腳，通常是為了穩定性的原因。在這種情況下，它的位置也應該盡量靠近IC。使用表貼電容還會(huì )減少引線(xiàn)長(cháng)度，從而減少噪聲耦合進(jìn)因通孔元件而造成的有效天線(xiàn)（effective antenna）。

　　補償

　　如果為了穩定性，需要加入外部補償元件，它們也應該盡量靠近IC。這里也建議使用表貼元件，原因同對濾波電容的討論。這些元件也不應該離電感器太近。

　　走線(xiàn)和接地層

　　使所有的電源（大電流）走線(xiàn)盡可能短、直、粗。在一塊標準PCB板上，最好使走線(xiàn)的每安絕對最小寬度為15mil（0.381mm）。電感器、輸出電容器和輸出二極管應該盡可能靠在一起。這樣可以幫助減少在大開(kāi)關(guān)電流流過(guò)它們時(shí)，由開(kāi)關(guān)電源走線(xiàn)引起的EMI。這也會(huì )減少引線(xiàn)電感和電阻，從而減少噪聲尖峰、鳴震（ringing）和阻性損耗，這些都會(huì )產(chǎn)生電壓誤差。IC的接地、輸入電容器、輸出電容器和輸出二極管（如果有的話(huà)）應該一起直接連接到一個(gè)接地面。最好在PCB的兩面都設置接地面。這樣會(huì )減少接地環(huán)路誤差和吸收更多的由電感器產(chǎn)生的EMI，從而減少了噪聲。對于多于兩層的多層板，可以用接地面分開(kāi)電源面（電源走線(xiàn)和元件所在的區域）和信號面（反饋和補償元件所在的區域）以提高性能。在多層板上，需要使用通孔把走線(xiàn)和不同的面連接起來(lái)。如果走線(xiàn)需要從一個(gè)面傳輸一個(gè)較大的電流到另一個(gè)面，每200mA電流使用一個(gè)標準通孔，是一個(gè)良好的習慣。

　　排列元件，使得開(kāi)頭電流環(huán)同方向旋轉。根據開(kāi)頭調節器的運行方式，有兩種功率狀態(tài)。一個(gè)狀態(tài)是當開(kāi)頭閉合時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)是當開(kāi)頭斷開(kāi)時(shí)。在每種狀態(tài)期間，將由當前導通的功率器件產(chǎn)生一個(gè)電流環(huán)。排列功率器件，以使每種狀態(tài)期間電流環(huán)的導通方向相同。這會(huì )防止兩個(gè)半環(huán)之間的走線(xiàn)產(chǎn)生磁場(chǎng)反轉，并可減少EMI的放射。

　　散熱

　　當使用表貼功率IC或外部功率開(kāi)關(guān)時(shí)，PCB通?？梢杂米魃崞?。這就是用PCB上的敷銅面來(lái)幫助器件散熱。參照特定器件手冊中有關(guān)使用PCB散熱的信息。這通?？梢允∪ラ_(kāi)關(guān)電源外加的散熱裝置。

　　如何選擇開(kāi)關(guān)電源拓撲結構

　　電源是電子產(chǎn)品中必不可少的一部分，現在逐漸流行開(kāi)關(guān)電源，其拓撲結構有很多種。下面就個(gè)人了解，羅列一些（不一定全）供大家參考。首先要明確您的產(chǎn)品中電源部分是否要與輸入電源隔離。

　　對于不隔離式開(kāi)關(guān)電源，大體上有降壓（buck）、升壓（boost）、極性反轉（負輸出，降升壓buck-boost）、斬波（cuck）3種類(lèi)型。對于隔離式開(kāi)關(guān)電源，分正激、反激、半橋、全橋、推挽5種類(lèi)型。

　　先說(shuō)不隔離式：

　　降壓（buck）型原理如下圖所示，前半周期Q1導通向C供電同時(shí)L1儲能，后半周期D1導通L1放能向C供電。

　　升壓（boost）型原理如下圖所示，前半周期Q1導通L1儲能，后半周期D1導通L1放能與V1串連向C1供電。

　　極性反轉型原理如下圖所示，前半周期Q1導通L1儲能，后半周期D1導通L1放能向C1供電。

　　若輸入電壓大于工作電壓，則選用降壓型，反之選擇升壓型。若單電源輸入，需要+、-電源時(shí)選用極性反轉型。

　　再說(shuō)隔離式：若輸出功率較?。?00W以下）常用反激式；若功率稍大，可選用正激式；再大就要采用半橋或全橋式了。

　　反激式是磁性元件在前半周儲能，后半周期傳遞能量。并關(guān)管要承受電源電壓與反激電壓之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接傳遞能量，后半周期泄放磁場(chǎng)。若磁場(chǎng)泄放不掉，則后面的周期中會(huì )因磁飽和而燒毀功率器。

　　全橋式是有4個(gè)功率器件，能夠讓變壓器原邊電流來(lái)回流動(dòng)，在每半個(gè)周期都傳遞能量，所以能做到較大功率。

　　半橋式是全橋式的簡(jiǎn)化，它將一個(gè)橋臂上的功率器件換成電容，節約了一半數量的功率器件，且功率器件上承受的電壓也減半，故降低了成本。

　　升壓變換中多采用推挽式，因原邊電壓較低，繞組匝數少，繞成雙原邊也不增加多少成本，雙繞組又能增加功率，故是廣泛采用的方式。

　　　　如何為開(kāi)關(guān)電源選擇合適的電感

　　電感是開(kāi)關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上， 用來(lái)平滑電流。電感也被稱(chēng)為扼流圈，特點(diǎn)是流過(guò)其上的電流有“很大的慣性”。換句話(huà)說(shuō)，由于磁通連續特性，電感上的電流必須是連續的，否則將會(huì )產(chǎn)生很大的 電壓尖峰。

　　電感為磁性元件，自然有磁飽和的問(wèn)題。有的應用允許電感飽和，有的應用允許電感從一定電流值開(kāi)始進(jìn)入飽和， 也有的應用不允許電感出現飽和，這要求在具體線(xiàn)路中進(jìn)行區分。大多數情況下，電感工作在“線(xiàn)性區”，此時(shí)電感值為一常數，不隨著(zhù)端電壓與電流而變化。但 是，開(kāi)關(guān)電