使用開關電源(直流開關電源)的常見問題
因為經(jīng)常設計的是射頻或者是低頻的模擬電路，所以設計中很少用到開關電源，但是有幾種情況下，必須選用開關電源，才能滿足系統(tǒng)的性能!
1. 輸入的電源電壓比系統(tǒng)所需要的電壓低，在這種情況下，系統(tǒng)需要升壓芯片來提高輸入電壓，對于這種電路，如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號，那么建議采用LC 的網(wǎng)絡濾波，或者再采用一級LDO來降壓，從而達到輸出低紋波的特性。
2. 系統(tǒng)的電壓需要負壓，在這種情況下，系統(tǒng)需要開關電源把正壓變換為負壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號，那么建議采用LC 的網(wǎng)絡濾波，或者再采用一級負壓的LDO來降壓，從而達到輸出低紋波的特性。
3.系統(tǒng)的輸入電壓比系統(tǒng)所需要的電壓大很多，并且系統(tǒng)需要的電流很大，此時若使用LDO或者三端穩(wěn)壓芯片，芯片上的功耗會很大，不僅降低了系統(tǒng)的效率，而且給系統(tǒng)的散熱帶來問題。此時可以首先使用開關電源電壓降低到一個比較合適的電壓，再使用LDO。
在使用的過程中還有一些問題需要注意：
一、最近使用正電到負電的變壓芯片時，發(fā)現(xiàn)輸出的負電壓不足，當與負載斷開時，發(fā)現(xiàn)電壓恢復，開始懷疑時后級電路出了問題，但是當采用穩(wěn)壓電源供電時，負電壓并沒有限流，而且采用萬用表的電流檔測試時，發(fā)現(xiàn)電流只有50mA，后來發(fā)現(xiàn)當我把芯片輸出正電的線路中串連的大電感去掉后，輸出正常。所以在開關電源中，輸入電壓供電的線路中加入大電感，雖然在一定程度上有隔掉直流分量的作用，但是同樣影響的開關電源的的正常工作。
二、開關電源雖然具有很高的效率，但是畢竟不是100%，而且開關電源芯片的熱阻相對比較小，散熱能力相對差，所以一定要計算系統(tǒng)所需的電壓和電流，從而計算出系統(tǒng)的功耗，然后根據(jù)效率曲線計算出消耗在開關電源芯片的上功耗。通過熱阻計算芯片的溫度是否超過芯片能承受的溫度。然后留出一定的余量的情況下，選擇芯片。
一、開關電源維修具體方法
1、開關電源維修的時候，我們首先需要利用萬用表檢測一下各功率器件是否存在擊穿短路，例如電源整流橋堆、開關管、高頻大功率整流管、抑制浪涌電流的大功率電阻是否燒斷等，然后需要再檢測各輸出電壓端口電阻是否異常，如上述器件有損壞的情況我們則需要進行更換新的器件。
2、我們在完成上述檢測之后，接通電源后如還不能正常工作，接著我們就要檢測功率因數(shù)模塊(PFC)和脈寬調制組件(PWM)，查閱相關資料，熟悉PFC和PWM模塊每個腳的功能及其模塊正常工作的必備條件。
3、對于具有PFC電路的電源則需測量濾波電容兩端電壓是否為380VDC左右，如有380VDC左右電壓，說明PFC模塊工作正常，接著檢測PWM組件的工作狀態(tài)，測量其電源輸入端VC，參考電壓輸出端VR，啟動控制Vstart/Vcontrol端電壓是否正常，利用220VAC/220VAC隔離變壓器給開關電源供電，用示波器觀測PWM模塊CT端對地的波形是否為線性良好的鋸齒波或三角形，如TL494 CT端為鋸齒波，F(xiàn)A5310其CT端為三角波。輸出端V0的波形是否為有序的窄脈沖信號。
4、在開關電源維修實踐中，有許多開關電源采用UC38××系列8腳PWM組件，大多數(shù)電源不能工作都是因為電源啟動電阻損壞，或芯片性能下降。當R斷路后無VC，PWM組件無法工作，需更換與原來功率阻值相同的電阻。當PWM組件啟動電流增加后，可減小R值到PWM組件能正常工作為止。在修一臺GEDR電源時，PWM模塊為UC3843，檢測未發(fā)現(xiàn)其他異常，在R(220K)上并接一個220K的電阻后，PWM組件工作，輸出電壓均正常。有時候由于外圍電路故障，致使VR端5V電壓為0V，PWM組件也不工作，在修柯達8900相機電源時，遇到此情況，把與VR端相連的外電路斷開，VR從0V變?yōu)?V，PWM組件正常工作，輸出電壓均正常。
5、當濾波電容上無380VDC左右電壓時，說明PFC電路沒有正常工作，PFC模塊關鍵檢測腳為電源輸入腳VC，啟動腳Vstart/control，CT和RT腳及V0腳。修理一臺富士3000相機時，測試一板上濾波電容上無380VDC電壓。VC，Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常，測量場效應功率開關管G極無V0波形，由于FA5331(PFC)為貼片元件，機器用久后出現(xiàn)V0端與板之間虛焊，V0信號沒有送到場效應管G極。將V0端與板上焊點焊好，用萬用表測量濾波電容有380VDC電壓。當Vstart/control端為低電平時，PFC亦不能工作，則要檢測其端點與外圍相連的有關電路。
總之，開關電源電路有易有難，功率有大有小，輸出電壓多種多樣。只要抓住其核心的東西，即充分熟悉開關電源的基本結構以及PFC及PWM模塊的特性，它們工作的基本條件，按照上述步驟和方法，多動手進行開關電源的維修，就能迅速地排除開關電源故障，達到事半功倍的效果。
二、開關電源維修經(jīng)驗之談
1、開關電源出現(xiàn)不啟振的時候，我們通常需要查看開關頻率是否正確、保護電路是否封鎖、電壓反饋電路、電流反饋電路又沒問題，開關管是否擊穿等。
2、開關電源變壓器發(fā)熱或發(fā)出“嗞嗞嗞”聲，一般是開關頻率不對。
3、開關電源輸出電壓電源指示燈一閃一閃的一般是副邊有短路的。
MOS管最常見的應用可能是電源中的開關元件，此外，它們對電源輸出也大有裨益。服務器和通信設備等應用一般都配置有多個并行電源，以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源平均分擔負載，確保系統(tǒng)即使在一個電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。不過，這種架構還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起，并保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端，有一個功率MOS管可以讓眾電源分擔負載，同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET，因為它們本質上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。
在ORing FET應用中，MOS管的作用是開關器件，但是由于服務器類應用中電源不間斷工作，這個開關實際上始終處于導通狀態(tài)。其開關功能只發(fā)揮在啟動和關斷，以及電源出現(xiàn)故障之時 。
相比從事以開關為核心應用的設計人員，ORing FET應用設計人員顯然必需關注MOS管的不同特性。以服務器為例，在正常工作期間，MOS管只相當于一個導體。因此，ORing FET應用設計人員最關心的是最小傳導損耗。
低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小
一般而言，MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來定義導通阻抗;對ORing FET應用來說，RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅動) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關的電流有關，但對于充分的柵極驅動，RDS(ON) 是一個相對靜態(tài)參數(shù)。
若設計人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中，每個電源常常需要多個ORing MOS管并行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。
需謹記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個并聯(lián)的2Ω 電阻相當于一個1Ω的電阻 。因此，一般來說，一個低RDS(ON) 值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。
除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數(shù)也對電源設計人員非常重要。許多情況下，設計人員應該密切關注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)(SOA)曲線，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關系�；旧�，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應用中，首要問題是：在"完全導通狀態(tài)"下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。
若設計是實現(xiàn)熱插拔功能，SOA曲線也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下，MOS管需要部分導通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。
注意剛剛提到的額定電流，這也是值得考慮的熱參數(shù)，因為始終導通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結溫也會導致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導體結散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結到管殼的熱阻抗。細言之，在實際測量中其代表從器件結(對于一個垂直MOS管，即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗，在數(shù)據(jù)手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個大漏極片的中心。因此，RθJC 定義了裸片與封裝系統(tǒng)的熱效應。RθJA 定義了從裸片表面到周圍環(huán)境的熱阻抗，而且一般通過一個腳注來標明與PCB設計的關系，包括鍍銅的層數(shù)和厚度。
開關電源中的MOS管
現(xiàn)在讓我們考慮開關電源應用，以及這種應用如何需要從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊。
從定義上而言，這種應用需要MOS管定期導通和關斷。同時，有數(shù)十種拓撲可用于開關電源，這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關功能(圖2)，這些開關交替在電感里存儲能量，然后把能量釋放給負載。目前，設計人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因為頻率越高，磁性元件可以更小更輕。
顯然，電源設計相當復雜，而且也沒有一個簡單的公式可用于MOS管的評估。但我們不妨考慮一些關鍵的參數(shù)，以及這些參數(shù)為什么至關重要。傳統(tǒng)上，許多電源設計人員都采用一個綜合品質因數(shù)(柵極電荷QG ×導通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或對之進行等級劃分。
柵極電荷和導通阻抗之所以重要，是因為二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種形式--傳導損耗和開關損耗。
柵極電荷是產(chǎn)生開關損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫侖(nc)，是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導通阻抗RDS(ON) 在半導體設計和制造工藝中相互關聯(lián)，一般來說，器件的柵極電荷值較低，其導通阻抗參數(shù)就稍高。開關電源中第二重要的MOS管參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。
某些特殊的拓撲也會改變不同MOS管參數(shù)的相關品質，例如，可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉換器與諧振轉換器做比較。諧振轉換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行MOS管開關，從而可把開關損耗降至最低。這些技術被成為軟開關或零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)技術。由于開關損耗被最小化，RDS(ON) 在這類拓撲中顯得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對這兩類轉換器都大有好處。諧振轉換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外，在兩個MOS管關斷的死區(qū)時間內，諧振電路必須讓COSS完全放電。
低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉換器(有時又稱為硬開關轉換器)，不過原因不同。因為每個硬開關周期存儲在輸出電容中的能量會丟失，反之在諧振轉換器中能量反復循環(huán)。因此，低輸出電容對于同步降壓調節(jié)器的低邊開關尤其重要。
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