第二章　開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程與主要部件的制作與選擇

第一節(jié)　開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)流程與移植法設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源

一、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)流程

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作要從主電路開(kāi)始,其中功率變換電路是開(kāi)關(guān)電源的核心。功率變換電路的結(jié)構(gòu)也稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)有多種類(lèi)型。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也決定了與之配套的PWM控制器和輸出整流/濾波電路。下面介紹開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作一般流程。

1.解定電路結(jié)構(gòu)(DC/DC變換器的結(jié)構(gòu))

無(wú)論是AC/DC開(kāi)關(guān)電源還是DC/DC開(kāi)關(guān)電源,其核心都是DC/DC變換器。因此,開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)就是指DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)電源中常用的DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下:

① 降壓式變換器,亦稱(chēng)降壓式穩(wěn)壓器。

② 升壓式變換器,亦稱(chēng)升壓式穩(wěn)壓器。

③ 反激式變換器。

④ 正激式變換器。

⑤ 半橋式變換器。

⑥ 全橋式變換器。

⑦ 推挽式變換器。

降壓式變換器和升壓式變換器主要用于輸入、輸出不需要隔離的DC/DC變換器中;反激式變換器主要用于輸入、輸出需要隔離的小功率AC/DC或DC/DC變換器中,正激式變換器主要用于輸入/輸出需要隔離的較大功率AC/DC或DC/DC變換器中;半橋式變換器和全橋式變換器主要用于輸入/輸出需要隔離的大功率AC/DC或DC/DC變換器中;其中全橋式變換器能夠提供比半橋式變換器更大的輸出功率;推挽式變換器主要用于輸入/輸出需要隔離的較低輸入電壓的DC/DC或DC/AC變換器中。

顧名思義,降壓式變換器的輸出電壓低于輸入電壓,升壓式變換器的輸出電壓高于輸入電壓。在反激式、正激式、半橋式、全橋式和推挽式等具有隔離變壓器的DC/DC變換器中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)高頻變壓器的一、二次匝數(shù)比,很方便地實(shí)現(xiàn)電源的降壓、升壓和極性變換。此類(lèi)變換器既可以是升壓型,也可以是降壓型號(hào),還可以是極性變換型。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí),首先要根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出功率的大小及是否需要電氣隔離,選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。

2.選擇控制電路(PWM)

開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)控制功率晶體管或功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換的,其控制方式主要有脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和混合調(diào)制三種。脈沖寬度調(diào)制方式,簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬度調(diào)制,縮寫(xiě)為PWM;脈沖頻率調(diào)制方式,簡(jiǎn)稱(chēng)脈頻調(diào)制,縮寫(xiě)為PFM;混合調(diào)制方式,是指脈沖寬度與開(kāi)關(guān)頻率均不固定,彼此都改變的方式。

PWM方式,具有固定的開(kāi)關(guān)頻率,通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)制占空比,因此開(kāi)關(guān)周期也是固定的,這就為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便,所以應(yīng)用最為普通。目前,集成開(kāi)關(guān)電源太多采用此方式。為便于開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì),眾多廠家將PWM控制器設(shè)計(jì)成集成電路,以便用戶(hù)選擇。開(kāi)關(guān)電源中常用的PWM控制器電路如下:

① 自激振蕩型PWM電路。

② TL494電壓型PWM控制電路。

③ SG3525電壓型PWM控制電路。

④ UC3842電流型PWM控制電路。

⑤ TOPSwitch-ii系列的PWM控制電路。

⑥ TinySwitch系列的PWM控制電路。

3.確定輔助電路

開(kāi)關(guān)電源通常由輸入電磁干擾濾波器、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制電路、輸出整流濾波電路等組成。其中功率變換電路是開(kāi)關(guān)電源的主要電路,對(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能起決定作用。根據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),開(kāi)關(guān)電源還需要一些輔助電路才能正常工作。有些電路可能包含在主要電路環(huán)節(jié)當(dāng)中。開(kāi)關(guān)電源中常見(jiàn)的輔助電路如下:

① 電壓反饋電路。

② 尖峰電壓吸收電路。

③ 輸入濾波電路。

④ 整流濾波電路。

⑤ 輸出過(guò)電壓保護(hù)電路。

⑥ 輸出過(guò)電流保護(hù)電路。

⑦ 尖峰電流抑制電路。

其中電壓反饋電路是各類(lèi)開(kāi)關(guān)電源都具有的輔助電路。尖峰電壓吸收電路是反激型開(kāi)關(guān)電源必需的輔助電路。輸入濾波電路通常只在AC/DC變換器出現(xiàn)。整流濾波電路包括工頻(50Hz)整流濾波和高頻整流濾波。自激振蕩型本身就具有輸出過(guò)電流保護(hù)特性。有時(shí)還需要開(kāi)關(guān)電源具有防雷擊保護(hù)電路,輸入過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)電路等。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩帷?/p>

4.整理電路原理圖

開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制電路和輔助電路確定以后,就可以整理、繪制電路原理圖。以便確定所有元器件的型號(hào)、參數(shù)及數(shù)量,完成各元件引腳之間的電路連接。電路原理圖應(yīng)按照信號(hào)流程和功能劃分不同區(qū)域,力求布線清晰、整潔,密度分配合理,信號(hào)流向清楚。然后確定所有元器件的封裝,以及電路板設(shè)計(jì)時(shí)的元器件布局與布線。

5.制作高頻變壓器

高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)。在半橋式、全橋式和推挽式開(kāi)關(guān)電源中,高頻變壓器通過(guò)的是交變的電流,不存在直流磁化,設(shè)計(jì)方法和工頻變壓器基本相同,只是采用的磁芯材料不同,設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單一些。正激式開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器與全橋式有相同之處,但存在直流磁化問(wèn)題,設(shè)計(jì)起來(lái)要復(fù)雜一些。因此有時(shí)會(huì)在高頻變壓器中增加去磁繞組,以便降低設(shè)計(jì)難度。反激式開(kāi)關(guān)電源在小功率開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用最為普通,但其高頻變壓器的設(shè)計(jì)也是最為復(fù)雜。

反激式開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器相當(dāng)于一只儲(chǔ)能電感,在固定的開(kāi)關(guān)頻率下,其儲(chǔ)存的能量大小直接影響開(kāi)關(guān)電源的輸出功率。在設(shè)計(jì)反激式開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器時(shí),需要以下幾個(gè)步驟:

① 首先要根據(jù)一次繞組的峰值電流I_p和開(kāi)關(guān)電源的輸出功率P,計(jì)算一次電感量L_p。

② 然后選擇磁芯與骨架并確定相關(guān)參數(shù)。

③ 接下來(lái)依據(jù)選定的磁芯截面積和磁路長(zhǎng)度等參數(shù)計(jì)算一次匝數(shù)N_p。

④ 根據(jù)一次和二次的變化值計(jì)算二次繞組匝數(shù)N_s。

⑤ 為了防止高頻變壓器出現(xiàn)磁飽和,通常要在磁芯中加入空氣間隙(簡(jiǎn)稱(chēng)氣隙),還需要根據(jù)一次電感量L_p和所選磁芯參數(shù)計(jì)算氣隙長(zhǎng)度。

⑥ 最后還要根據(jù)峰值電流I_p和所選磁芯參數(shù)計(jì)算最大磁通密度B_m,檢驗(yàn)是否滿(mǎn)足磁芯材料要求。在部分條件不能滿(mǎn)足時(shí),要重新選擇磁芯與骨架,進(jìn)行計(jì)算和檢驗(yàn),直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為止。

6.設(shè)計(jì)印制板

開(kāi)關(guān)電源的印制板設(shè)計(jì)與一般電子線路的印制板設(shè)計(jì)既有相同之處,又有不同的特點(diǎn)。一般電子線路的印制板設(shè)計(jì)中提到的布局、布線及銅線寬度與通過(guò)電流的關(guān)系等原則,在開(kāi)關(guān)電源的印制板設(shè)計(jì)中也同樣適用。開(kāi)關(guān)電源中除了常用標(biāo)準(zhǔn)封裝的電阻、電容以及集成電路以外,還包含著大量非標(biāo)準(zhǔn)封裝的電感、高頻變壓器、大容量電解電容、大功率二極管、三極管以及各種尺寸的散熱器等元件。這些元件的封裝要在印制板設(shè)計(jì)之前自行確定,可以根據(jù)廠家提供的外形尺寸或?qū)嶋H測(cè)繪確定。開(kāi)關(guān)電源的印制板設(shè)計(jì)還要特別注意以下問(wèn)題:

① 元件布局問(wèn)題。

② 地線布線問(wèn)題。

③ 取樣點(diǎn)選擇問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)電源中的元件布局,重點(diǎn)考慮主電路關(guān)鍵元件。開(kāi)關(guān)電源中輸入濾波電容、高頻變壓器的一次繞組和功率開(kāi)關(guān)管組成一個(gè)較大脈沖電流回路。高頻變壓器的二次繞組、整流或續(xù)流二極管和輸出濾波電容組成另一個(gè)較大脈沖電流回路。這兩個(gè)回路要布局緊湊、引線短捷。這樣可以減小泄漏電感,從而降低吸收回路的損耗,提高電源的效率。

開(kāi)關(guān)電源中的地線回路,不論是一次還是二次,都要流過(guò)很大的脈沖電流。盡管地線通常設(shè)計(jì)的較寬,但還會(huì)造成較大的電壓降落,從而影響控制電路的性能。地線的布線要考慮電流密度的分布和電流的流向,避免地線上的壓降被引入控制回路,造成負(fù)載調(diào)整率下降。

開(kāi)關(guān)電源中取樣點(diǎn)選擇的選擇尤為重要,在取樣回路中,既要考慮負(fù)載產(chǎn)生的壓降,也要考慮整充或續(xù)流電路產(chǎn)生的脈沖電流對(duì)取樣的影響。取樣點(diǎn)應(yīng)該盡量選擇在輸出端子的兩端,以便得到最好的負(fù)載調(diào)整率。

7.安裝調(diào)試

安裝前準(zhǔn)備好各種元器件、常用的工具和材料。分立元件在安裝前要全部測(cè)試。先安裝體積小、高度低的電阻和二極管元件,然后是集成電路、晶體管、電容器等,最后安裝較大尺寸的散熱器。

調(diào)試前準(zhǔn)備好相關(guān)調(diào)試儀器,開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試儀器主要有隔離變壓器、自耦調(diào)壓器、交流電壓表、交流電流表、直流電壓表、直流電流表和雙蹤示波器。其中電壓、電流表可用幾塊同型號(hào)的數(shù)字萬(wàn)用表代替。

電路安裝完畢后,不要急于通電,首先要根據(jù)電路原理圖認(rèn)真檢查電路接線是否正確,元器件引腳之間有無(wú)短路,二極管、三極管和電解電容性有無(wú)錯(cuò)誤等。然后連接相關(guān)測(cè)試儀器,檢查儀表?yè)跷皇欠裾_,通電前確保自耦調(diào)壓器觸頭處于足夠低的輸出電壓位置,電路是否需要接入最小負(fù)載以及負(fù)載連接是否正確等。

電源接通后不要急于測(cè)量數(shù)據(jù),應(yīng)首先觀察有無(wú)異?，F(xiàn)象,調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器觸頭,使輸入電壓逐漸升高,用示波器觀測(cè)開(kāi)關(guān)晶體管的集電極或漏極的電壓波形,這一點(diǎn)最為重要,該電壓波形可以反映出尖峰電壓大小以及開(kāi)關(guān)管是否飽和導(dǎo)通,是防止開(kāi)關(guān)管損壞的最佳方法。此外還要觀察輸入電流是否過(guò)大,有無(wú)冒煙,是否聞到異常氣味,手摸元器件是否發(fā)燙等現(xiàn)象。

開(kāi)關(guān)電源正常工作之后,可以進(jìn)行性能測(cè)試。首先是穩(wěn)壓范圍的測(cè)試,在輕載條件下,將輸入電壓從最小值開(kāi)始逐漸升高到最大值,觀察輸出電壓是否穩(wěn)定。然后是負(fù)載特性的測(cè)試,在額定輸入電壓條件下,將負(fù)載電流從最小值開(kāi)始逐漸升高到最大值,觀察輸出電壓是否穩(wěn)定。在最大負(fù)載時(shí),將輸入電壓從最小值逐漸升高到最大值,觀察輸出電壓變化情況。

在調(diào)試電路過(guò)程中對(duì)測(cè)試結(jié)果做詳盡記錄,以便深入分析后對(duì)電路與參數(shù)做出合理的調(diào)整。最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求,還可對(duì)電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸出紋波、輸入功率及效率、動(dòng)態(tài)負(fù)載特性、過(guò)壓及短路保護(hù)等性能參數(shù)做更為詳細(xì)的測(cè)試。

二、移植法設(shè)計(jì)、理解開(kāi)關(guān)電源

所謂的移植法就是根據(jù)前面的設(shè)計(jì)流程把所需要的電路在所學(xué)過(guò)的知識(shí)中移過(guò)來(lái),綜合成所需要的電路,所以是無(wú)論設(shè)計(jì)人員還是維修人員,要知道開(kāi)關(guān)電源的電路單元原理才能快速讀懂開(kāi)關(guān)電源,要學(xué)會(huì)等效法理解開(kāi)關(guān)電源電路(如將集成電路等效為最簡(jiǎn)單的分立元件電路),下面講解具體移植過(guò)程及電路等效分析。

1.輸入電路

輸入電路主要是濾波電路,目前開(kāi)關(guān)電源使用的濾波電阻主要是LC復(fù)式濾波器,如圖2-1所示。

圖2-1　多種濾波電路

2.整流電路

對(duì)于整流電路,主要有輸入整流電路、輸出整流電路,按照整流電路分類(lèi)只要為橋式全波整流,多用于輸入整流電路;全波整流電路,主要用于輸出整流電路;半波整流電路,用于輸出整流電路(圖2-2)。

圖2-2　多種整流電路

3.振蕩電路

振蕩電路是產(chǎn)生脈沖的電路,可以利用直流產(chǎn)生交變脈沖,控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài),開(kāi)關(guān)電源中的振蕩電路主要為自激電感式振蕩電路(圖2-3)和多諧振蕩器電路(圖2-4),都有集成電路和分立元件之分。實(shí)際理解集成電路振蕩原理時(shí)可以按照分立元件電路理解(圖2-5)。

圖2-3　自激電感式振蕩電路

圖2-4　多諧振蕩器電路

圖2-5　集成電路振蕩電路

4.脈沖調(diào)寬電路

根據(jù)波形圖可以知道,只要改變R_K阻值,即可以改變Q901基極的脈沖寬度。改變R_K阻值過(guò)程稱(chēng)為基極脈沖調(diào)寬過(guò)程(圖2-6)。

圖2-6　脈沖調(diào)寬電路與波形圖

5.開(kāi)關(guān)管電路

開(kāi)關(guān)管電路應(yīng)用的主要有單三極管型開(kāi)關(guān)管電路(圖2-7)、場(chǎng)效應(yīng)管電路、橋式開(kāi)關(guān)管電路(圖2-8)。

圖2-7　單三極管型開(kāi)關(guān)管電路

圖2-8　橋式開(kāi)關(guān)管電路

6.穩(wěn)壓過(guò)程

由脈沖調(diào)寬可以知道,基極脈寬受R_K阻值大小控制,只要改變R_K阻值,即可以改變Q901基極的脈沖寬度,從而改變Q901導(dǎo)通截止時(shí)間,導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng),變壓器儲(chǔ)存磁電能大,輸出電壓上升;導(dǎo)通時(shí)間短,開(kāi)關(guān)變壓器儲(chǔ)存磁電能少,輸出電壓低,所以只要利用控制電路改變阻值,即可達(dá)到穩(wěn)壓和調(diào)壓的目的。穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、取樣、誤差放大、控制電路構(gòu)成。穩(wěn)壓過(guò)程見(jiàn)圖2-9和圖2-10中箭頭指示。

圖2-9　無(wú)隔離式穩(wěn)壓

圖2-10　用光耦隔離式穩(wěn)壓電路

7.保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源電路中設(shè)有多種保護(hù)電路,主要由過(guò)壓取樣電路和執(zhí)行元件構(gòu)成,一般過(guò)壓取樣多為穩(wěn)壓二極管取樣,執(zhí)行元件可以是三極管、可控硅等元件(圖2-11)。

圖2-11　保護(hù)電路

8.輔助電路

輔助電路還有尖峰吸收電路、鉗位電路(參見(jiàn)前面章節(jié)介紹)、雜波泄放電路等(圖2-12)。

圖2-12　電磁干擾泄放電路

由于開(kāi)關(guān)電源目前多應(yīng)用的是隔離式開(kāi)關(guān)電源,為了防止干擾,在冷地與熱地之間需要增加一些元件,泄放掉雜波。