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从设计到维修全方位学习开关电源

发布时间:2020-07-01 01:07:02 阅读: 来源:大理石厂家

所谓开关电源,是指利用现代电子电力技术,控制开关管开通和管段的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制控制IC和MOSFER构成,随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断创新。接下来给大家介绍一下开关电源设计过程中的一些注意事项,同时还介绍到当开关电源出现问题的时候,如何快速的查找出开关电源的问题所在。

开关电源的布局

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

当设计高频开关电源时,布局非常重要。良好的布局可以解决这类电源的许多问题。因布局而出现的问题,通常在大电流时显现出来,并且在输入和输出电压之间的压差较大时更加明显。一些主要的问题是在大的输出电流和/或大的输入/输出电压差时调节能力的下降,在输出和开头波形上的额外噪声,以及不稳定性。应用下面的几个简单原则就可以把这类问题最小化。

电感器

开关电源尽量使用低EMI(Electro Magnetic Interference)的带铁氧体闭合磁芯的电感器。比如圆形的或封闭的E型磁芯。如果开口磁芯(open cores)具有较低的EMI特性,并且离低功率导线和元件较远,也可以使用。如果使用开口磁芯,使磁芯的两极与PCB板垂直也是一个好主意。棒状磁芯(stick cores)通常用来消除大部分不需要的噪声。

反馈

尽量使反馈回路远离电感器和噪声源。还要尽可能使反馈线为直线,并且要粗一点。有时需要在这两种方案之间折衷一下,但使反馈线远离电感器的EMI和其它噪声源是两者当中更关键的一条。在PCB上使反馈线位于与电感器相对的一侧,并且中间用接地层分开。

滤波电容器

当使用小容量瓷质输入滤波电容器时,它应该尽可能靠近IC的VIN引脚。这将消除尽可能多的线路电感影响,给内部IC线路一个更干净的电压源。开关电源一些设计需要使用前馈电容器从输出端连接到反馈引脚,通常是为了稳定性的原因。在这种情况下,它的位置也应该尽量靠近IC。使用表贴电容还会减少引线长度,从而减少噪声耦合进因通孔元件而造成的有效天线(effective antenna)。

补偿

如果为了稳定性,需要加入外部补偿元件,它们也应该尽量靠近IC。这里也建议使用表贴元件,原因同对滤波电容的讨论。这些元件也不应该离电感器太近。

走线和接地层

使所有的电源(大电流)走线尽可能短、直、粗。在一块标准PCB板上,最好使走线的每安绝对最小宽度为15mil(0.381mm)。电感器、输出电容器和输出二极管应该尽可能靠在一起。这样可以帮助减少在大开关电流流过它们时,由开关电源走线引起的EMI。这也会减少引线电感和电阻,从而减少噪声尖峰、鸣震(ringing)和阻性损耗,这些都会产生电压误差。IC的接地、输入电容器、输出电容器和输出二极管(如果有的话)应该一起直接连接到一个接地面。最好在PCB的两面都设置接地面。这样会减少接地环路误差和吸收更多的由电感器产生的EMI,从而减少了噪声。对于多于两层的多层板,可以用接地面分开电源面(电源走线和元件所在的区域)和信号面(反馈和补偿元件所在的区域)以提高性能。在多层板上,需要使用通孔把走线和不同的面连接起来。如果走线需要从一个面传输一个较大的电流到另一个面,每200mA电流使用一个标准通孔,是一个良好的习惯。

排列元件,使得开头电流环同方向旋转。根据开头调节器的运行方式,有两种功率状态。一个状态是当开头闭合时,另一个状态是当开头断开时。在每种状态期间,将由当前导通的功率器件产生一个电流环。排列功率器件,以使每种状态期间电流环的导通方向相同。这会防止两个半环之间的走线产生磁场反转,并可减少EMI的放射。

散热

当使用表贴功率IC或外部功率开关时,PCB通常可以用作散热器。这就是用PCB上的敷铜面来帮助器件散热。参照特定器件手册中有关使用PCB散热的信息。这通常可以省去开关电源外加的散热装置。

如何选择开关电源拓扑结构

电源是电子产品中必不可少的一部分,现在逐渐流行开关电源,其拓扑结构有很多种。下面就个人了解,罗列一些(不一定全)供大家参考。首先要明确您的产品中电源部分是否要与输入电源隔离。

对于不隔离式开关电源,大体上有降压(buck)、升压(boost)、极性反转(负输出,降升压buck-boost)、斩波(cuck)3种类型。对于隔离式开关电源,分正激、反激、半桥、全桥、推挽5种类型。

先说不隔离式:

降压(buck)型原理如下图所示,前半周期Q1导通向C供电同时L1储能,后半周期D1导通L1放能向C供电。

升压(boost)型原理如下图所示,前半周期Q1导通L1储能,后半周期D1导通L1放能与V1串连向C1供电。

极性反转型原理如下图所示,前半周期Q1导通L1储能,后半周期D1导通L1放能向C1供电。

若输入电压大于工作电压,则选用降压型,反之选择升压型。若单电源输入,需要+、-电源时选用极性反转型。

再说隔离式:若输出功率较小(100W以下)常用反激式;若功率稍大,可选用正激式;再大就要采用半桥或全桥式了。

反激式是磁性元件在前半周储能,后半周期传递能量。并关管要承受电源电压与反激电压之和,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传递能量,后半周期泄放磁场。若磁场泄放不掉,则后面的周期中会因磁饱和而烧毁功率器。

全桥式是有4个功率器件,能够让变压器原边电流来回流动,在每半个周期都传递能量,所以能做到较大功率。

半桥式是全桥式的简化,它将一个桥臂上的功率器件换成电容,节约了一半数量的功率器件,且功率器件上承受的电压也减半,故降低了成本。

升压变换中多采用推挽式,因原边电压较低,绕组匝数少,绕成双原边也不增加多少成本,双绕组又能增加功率,故是广泛采用的方式。

如何为开关电源选择合适的电感

电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流、电压相位不同,所以理论上损耗为零。电感常为储能元件,也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上, 用来平滑电流。电感也被称为扼流圈,特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说,由于磁通连续特性,电感上的电流必须是连续的,否则将会产生很大的 电压尖峰。

电感为磁性元件,自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和,有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和, 也有的应用不允许电感出现饱和,这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下,电感工作在“线性区”,此时电感值为一常数,不随着端电压与电流而变化。但 是,开关电

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