從構(gòu)思到實(shí)踐如何完成開關(guān)電源的合理設(shè)計(jì)
開關(guān)電源已經(jīng)成為了我們電路設(shè)計(jì)當(dāng)中的主角，甚至可以說已經(jīng)成為了與行業(yè)發(fā)展密不可分的一部分。與傳統(tǒng)線性電源相比，在某一輸出功率點(diǎn)上線性電源的成本要高于開關(guān)電源，常見的開關(guān)電源可以分為兩種，隔離與非隔離。
在本篇文章當(dāng)中，我們將主要對(duì)隔離式開關(guān)電源的拓?fù)湫问竭M(jìn)行探討。所以在下面的文章當(dāng)中，如果沒有任何特殊的說明，文中提及的電源將均指隔離電源。隔離電源按照結(jié)構(gòu)形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導(dǎo)通時(shí)副邊截止，變壓器儲(chǔ)能。原邊截止時(shí)，副邊導(dǎo)通，能量釋放到負(fù)載的工作狀態(tài)，一般常規(guī)反激式電源單管多，雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導(dǎo)通同時(shí)副邊感應(yīng)出對(duì)應(yīng)電壓輸出到負(fù)載，能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激，包括單管正激，雙管正激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。
正激和反激電路各有其特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路的過程中為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比，可以靈活運(yùn)用。一般在小功率場(chǎng)合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時(shí)采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。
反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省掉了一個(gè)和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應(yīng)用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦，輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)起來有難度。本人認(rèn)為一般情況下是這樣的，但也不能一概而論，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章介紹反激電源可做到上千瓦，但沒見過實(shí)物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關(guān)。
反激電源變壓器漏感是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲(chǔ)存能量，要使變壓器鐵芯得到充分利用，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于鐵芯進(jìn)入飽和非線形狀態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產(chǎn)生漏磁遠(yuǎn)大于完全閉合磁路。
脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關(guān)管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關(guān)管返回電容負(fù)。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接近開關(guān)電源輸入端，輸入線應(yīng)避免與其他電路平行，應(yīng)避開。Y電容應(yīng)放置在機(jī)殼接地端子或FG連接端。共摸電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。
輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應(yīng)靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果應(yīng)優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解電容保持一定距離，以延長(zhǎng)整機(jī)壽命，電解電容是開關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進(jìn)風(fēng)口。
PCB布線的一些原則印制板設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對(duì)核心電路重點(diǎn)防護(hù)，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號(hào)采用光電隔離，設(shè)計(jì)隔離電源，分析容易產(chǎn)生干擾的部分(如時(shí)鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(如模擬采樣電路等)，對(duì)這兩種類型的電路分別采取措施。對(duì)于干擾元件采取抑制措施，對(duì)敏感元件采取隔離和保護(hù)措施，并且將它們?cè)诳臻g和電氣上拉開距離。在板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意元器件放置要遠(yuǎn)離印制板邊沿，這對(duì)防護(hù)空氣放電是有利的。
隨著印制線路板制造工藝的不斷完善和提高，一般加工廠制造出線間距等于甚至小于0.1mm已經(jīng)不存在什么問題，完全能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合�？紤]到開關(guān)電源所采用的元器件及生產(chǎn)工藝，一般雙面板最小線間距設(shè)為0.3mm，單面板最小線間距設(shè)為0.5mm，焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔，最小間距設(shè)為0.5mm，可避免在焊接操作過程中出現(xiàn)“橋接”現(xiàn)象。，這樣大多數(shù)制板廠都能夠很輕松滿足生產(chǎn)要求，并可以把成品率控制得非常高，亦可實(shí)現(xiàn)合理的布線密度及有一個(gè)較經(jīng)濟(jì)的成本。
最小線間距只適合信號(hào)控制電路和電壓低于63V的低壓電路，當(dāng)線間電壓大于該值時(shí)一般可按照500V/1mm經(jīng)驗(yàn)值取線間距。
方法一：上文提到的線路板開槽的方法適用于一些間距不夠的場(chǎng)合，順便提一下，該法也常用來作為保護(hù)放電間隙，常見于電視機(jī)顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模塊電源中得到了廣泛的應(yīng)用，在灌封的條件下可獲得很好的效果。
方法二：墊絕緣紙，可采用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣材料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊在線路板于金屬機(jī)殼間，這種材料有機(jī)械強(qiáng)度高，有一定抗潮濕的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高溫的特性在模塊電源中得到廣泛的應(yīng)用。在元件和周圍導(dǎo)體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。
鋁基板由其本身構(gòu)造，具有以下特點(diǎn)：導(dǎo)熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。
鋁基板上一般都放置貼片器件，開關(guān)管，輸出整流管通過基板把熱量傳導(dǎo)出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結(jié)構(gòu)，也可通過基板散熱，其溫升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結(jié)構(gòu)可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放置控制電路，兩塊板之間通過物理連接合成一體。
由于鋁基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性，在小量手工焊接時(shí)比較困難，焊料冷卻過快，容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，將一個(gè)燙衣服的普通電熨斗(最好有調(diào)溫功能)，翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調(diào)到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時(shí)間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為宜，太高有可能時(shí)器件損壞，甚至鋁基板銅皮剝離，溫度太低焊接效果不好，要靈活掌握。
印制板銅皮走線的一些事項(xiàng)走線電流密度：現(xiàn)在多數(shù)電子線路采用絕緣板縛銅構(gòu)成。常用線路板銅皮厚度為35μm，走線可按照1A/mm經(jīng)驗(yàn)值取電流密度值，具體計(jì)算可參見教科書。為保證走線機(jī)械強(qiáng)度原則線寬應(yīng)大于或等于0.3mm.銅皮厚度為70μm線路板也常見于開關(guān)電源，那么電流密度可更高些。
模塊電源行列也有部分產(chǎn)品采用多層板，主要便于集成變壓器電感等功率器件，優(yōu)化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好，變壓器散熱好的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是成本較高，靈活性較差，僅適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
單面板，市場(chǎng)流通通用開關(guān)電源幾乎都采用了單面線路板，其具有低成本的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)，及生產(chǎn)工藝上采取一些措施亦可確保其性能。
為保證良好的焊接機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，單面板焊盤應(yīng)稍微大一些，以確保銅皮和基板的良好縛著力，而不至于受到震動(dòng)時(shí)銅皮剝離、斷脫。一般焊環(huán)寬度應(yīng)大于0.3mm.焊盤孔直徑應(yīng)略大于器件引腳直徑，但不宜過大，保證管腳與焊盤間由焊錫連接距離最短，盤孔大小以不妨礙正常查件為度，焊盤孔直徑一般大于管腳直徑0.1-0.2mm.多引腳器件為保證順利查件，也可更大一些。
單面板上元器件應(yīng)緊貼線路板。需要架空散熱的器件，要在器件與線路板之間的管腳上加套管，可起到支撐器件和增加絕緣的雙重作用，要最大限度減少或避免外力沖擊對(duì)焊盤與管腳連接處造成的影響，增強(qiáng)焊接的牢固性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連接點(diǎn)，可加強(qiáng)與線路板間連接強(qiáng)度，如變壓器，功率器件散熱器。
雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強(qiáng)度較高，焊環(huán)可比單面板小一些，焊盤孔孔徑可比管腳直徑略微大一些，因?yàn)樵诤附舆^程中有利于焊錫溶液通過焊孔滲透到頂層焊盤，以增加焊接可靠性。
大電流走線的處理線寬可按照前帖處理，如寬度不夠，一般可采用在走線上鍍錫增加厚度進(jìn)行解決，其方法有好多種。
a將走線設(shè)置成焊盤屬性，這樣在線路板制造時(shí)該走線不會(huì)被阻焊劑覆蓋，熱風(fēng)整平時(shí)會(huì)被鍍上錫。
b在布線處放置焊盤，將該焊盤設(shè)置成需要走線的形狀，要注意把焊盤孔設(shè)置為零。
c在阻焊層放置線，此方法最靈活，但不是所有線路板生產(chǎn)商都會(huì)明白你的意圖，需文字說明。在阻焊層放置線的部位會(huì)不涂阻焊劑線路鍍錫的幾種方法如上。一般可采用細(xì)長(zhǎng)條鍍錫寬度在1~1.5mm，長(zhǎng)度可根據(jù)線路來確定，鍍錫部分間隔0.5~1mm雙面線路板為布局、走線提供了很大的選擇性，可使布線更趨于合理。關(guān)于接地，功率地與信號(hào)地一定要分開，兩個(gè)地可在濾波電容處匯合，以避免大脈沖電流通過信號(hào)地連線而導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定的意外因素，信號(hào)控制回路盡量采用一點(diǎn)接地法。
電壓反饋取樣，為避免大電流通過走線的影響，反饋電壓的取樣點(diǎn)一定要放在電源輸出最末梢，以提高整機(jī)負(fù)載效應(yīng)指標(biāo)。
走線從一個(gè)布線層變到另外一個(gè)布線層一般用過孔連通，不宜通過器件管腳焊盤實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诓逖b器件時(shí)有可能破壞這種連接關(guān)系，還有在每1A電流通過時(shí)，至少應(yīng)有2個(gè)過孔，過孔孔徑原則要大于0.5mm，一般0.8mm可確保加工可靠性。
鋁基板及多層印制板在開關(guān)電源中的應(yīng)用鋁基板(金屬基散熱板(包含鋁基板，銅基板，鐵基板))是一種獨(dú)特的金屬基覆銅板，它具有良好的導(dǎo)熱性、電氣絕緣性能和機(jī)械加工性能。鋁基覆銅板是一種金屬線路板材料、由銅箔、導(dǎo)熱絕緣層及金屬基板組成，它的結(jié)構(gòu)分三層：Cireuitl.Layer線路層：相當(dāng)于普通PCB的覆銅板，線路銅箔厚度loz至10oz. DielcctricLayer絕緣層：絕緣層是一層低熱阻導(dǎo)熱絕緣材料。厚度為：0.003“至0.006”英寸是鋁基覆銅板的核心技術(shù)所在，已獲得UL認(rèn)證。
BaseLayer基層是金屬基板，一般是鋁或可所選擇銅。
鋁基覆銅板和傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布層壓板等，目前市場(chǎng)上主流的是福斯萊特鋁基板。電路層(即銅箔)通常經(jīng)過蝕刻形成印刷電路，使組件的各個(gè)部件相互連接，一般情況下，電路層要求具有很大的載流能力，從而應(yīng)使用較厚的銅箔，厚度一般35μm~280μm;導(dǎo)熱絕緣層是鋁基板核心技術(shù)之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構(gòu)成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良，具有抗熱老化的能力，能夠承受機(jī)械及熱應(yīng)力。該公司生產(chǎn)的高性能鋁基板的導(dǎo)熱絕緣層正是使用了此種技術(shù)，使其具有極為優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和高強(qiáng)度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構(gòu)件，要求具有高導(dǎo)熱性，一般是鋁板，也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導(dǎo)熱性)，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機(jī)械加工。
鋁基板由其本身構(gòu)造，具有以下特點(diǎn)：導(dǎo)熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。
鋁基板上一般都放置貼片器件，開關(guān)管，輸出整流管通過基板把熱量傳導(dǎo)出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結(jié)構(gòu)，也可通過基板散熱，其溫升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結(jié)構(gòu)可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放置控制電路，兩塊板之間通過物理連接合成一體。
由于鋁基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性，在小量手工焊接時(shí)比較困難，焊料冷卻過快，容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，將一個(gè)燙衣服的普通電熨斗(最好有調(diào)溫功能)，翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調(diào)到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時(shí)間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為宜，太高有可能時(shí)器件損壞，甚至鋁基板銅皮剝離，溫度太低焊接效果不好，要靈活掌握。
最近幾年，隨著多層線路板在開關(guān)電源電路中應(yīng)用，使得印制線路變壓器成為可能，由于多層板，層間距較小，也可以充分利用變壓器窗口截面，可在主線路板上再加一到兩片由多層板組成的印制線圈達(dá)到利用窗口，降低線路電流密度的目的，由于采用印制線圈，減少了人工干預(yù)，變壓器一致性好，平面結(jié)構(gòu)，漏感低，偶合好。開啟式磁芯，良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢(shì)，有利于大批量生產(chǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。但研制開發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生產(chǎn)。
反激電源反射電壓還有一個(gè)確定因素軍用開關(guān)電源的反射電壓還與一個(gè)參數(shù)有關(guān)，那就是輸出電壓，輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大，變壓器漏感越大，開關(guān)管承受電壓越高，有可能擊穿開關(guān)管、吸收電路消耗功率越大，有可能使吸收回路功率器件永久失效。在設(shè)計(jì)低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理，其處理方法有幾個(gè)：
a 采用大一個(gè)功率等級(jí)的磁芯降低漏感，這樣可提高低壓反激電源的轉(zhuǎn)換效率，降低損耗，減小輸出紋波，提高多路輸出電源的交差調(diào)整率，一般常見于家電用開關(guān)電源，如光碟機(jī)、DVB機(jī)頂盒等。
b 如果條件不允許加大磁芯，只能降低反射電壓，減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但有可能使電源轉(zhuǎn)換效率降低，這兩者是一個(gè)矛盾，必須要有一個(gè)替代過程才能找到一個(gè)合適的點(diǎn)，在變壓器替代實(shí)驗(yàn)過程中，可以檢測(cè)變壓器原邊的反峰電壓，盡量降低反峰電壓脈沖的寬度，和幅度，可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時(shí)比較合適。
c 增強(qiáng)耦合，降低損耗，采用新的技術(shù)，和繞線工藝，變壓器為滿足安全規(guī)范會(huì)在原邊和副邊間采取絕緣措施，如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中可采用初級(jí)繞組包繞次級(jí)的繞法。或者次級(jí)用三重絕緣線繞制，取消初次級(jí)間的絕緣物，可以增強(qiáng)耦合，甚至可采用寬銅皮繞制。
反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài)，所以磁路需要開氣隙，類似于脈動(dòng)直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為：由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線)，在工作特性曲線上Y軸表示磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)，現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點(diǎn)在400mT以上，一般此值在設(shè)計(jì)中取值應(yīng)該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)此值與磁化電流強(qiáng)度成比例關(guān)系。磁路開氣隙相當(dāng)于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜，在同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，可承受更大的磁化電流，則相當(dāng)于磁心儲(chǔ)存更多的能量，此能量在開關(guān)管截止時(shí)通過變壓器次級(jí)瀉放到負(fù)載電路，反激電源磁芯開氣隙有兩個(gè)作用。
反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài)，不僅要通過磁耦合傳遞能量，還擔(dān)負(fù)電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心，氣隙太大可使漏感變大，磁滯損耗增加，鐵損、銅損增大，影響電源的整機(jī)性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和，導(dǎo)致電源損壞。
所謂反激電源的連續(xù)與斷續(xù)模式是指變壓器的工作狀態(tài)，在滿載狀態(tài)變壓器工作于能量完全傳遞，或不完全傳遞的工作模式。一般要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，常規(guī)反激電源應(yīng)該工作在連續(xù)模式，這樣開關(guān)管、線路的損耗都比較小，而且可以減輕輸入輸出電容的工作應(yīng)力，但是這也有一些例外。由于制造工藝特點(diǎn)，高反壓二極管，反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，速度低，在電流連續(xù)狀態(tài)，二極管是在有正向偏壓時(shí)恢復(fù)，反向恢復(fù)時(shí)的能量損耗非常大，不利于變換器性能的提高，輕則降低轉(zhuǎn)換效率，整流管嚴(yán)重發(fā)熱，重則甚至燒毀整流管。由于在斷續(xù)模式下，二極管是在零偏壓情況下反向偏置，損耗可以降到一個(gè)比較低的水平。
反激開關(guān)電源變壓器應(yīng)工作在連續(xù)模式，那就要求比較大的繞組電感量，當(dāng)然連續(xù)也是有一定程度的，過分追求絕對(duì)連續(xù)是不現(xiàn)實(shí)的，有可能需要很大的磁芯，非常多的線圈匝數(shù)，同時(shí)伴隨著大的漏感和分布電容，可能得不償失。那么如何確定這個(gè)參數(shù)呢，通過多次實(shí)踐，及分析同行的設(shè)計(jì)，本人認(rèn)為，在標(biāo)稱電壓輸入時(shí)，輸出達(dá)到50%~60%變壓器從斷續(xù)，過渡到連續(xù)狀態(tài)比較合適。
本篇文章從結(jié)構(gòu)到電路板的設(shè)計(jì)，一路介紹了如何將開關(guān)電源進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。并給出了了一些問題的解決方法�？梢哉f包含了一個(gè)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的全部過程，從設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)新手來說是不可多得的寶貴知識(shí)，希望大家能從本篇文章當(dāng)中學(xué)習(xí)到合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源的方法，并加以靈活運(yùn)用。
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