使用开关电源(直流开关电源)的常见问题

因为经常设计的是射频或者是低频的模拟电路,所以设计中很少用到开关电源,但是有几种情况下,必须选用开关电源,才能满足系统的性能!

1. 输入的电源电压比系统所需要的电压低,在这种情况下,系统需要升压芯片来提高输入电压,对于这种电路,如果被供电电路是敏感的模拟信号或者是射频信号,那么建议采用LC 的网络滤波,或者再采用一级LDO来降压,从而达到输出低纹波的特性。

2. 系统的电压需要负压,在这种情况下,系统需要开关电源把正压变换为负压。如果被供电电路是敏感的模拟信号或者是射频信号,那么建议采用LC 的网络滤波,或者再采用一级负压的LDO来降压,从而达到输出低纹波的特性。

3.系统的输入电压比系统所需要的电压大很多,并且系统需要的电流很大,此时若使用LDO或者三端稳压芯片,芯片上的功耗会很大,不仅降低了系统的效率,而且给系统的散热带来问题。此时可以首先使用开关电源电压降低到一个比较合适的电压,再使用LDO。

在使用的过程中还有一些问题需要注意:

一、最近使用正电到负电的变压芯片时,发现输出的负电压不足,当与负载断开时,发现电压恢复,开始怀疑时后级电路出了问题,但是当采用稳压电源供电时,负电压并没有限流,而且采用万用表的电流档测试时,发现电流只有50mA,后来发现当我把芯片输出正电的线路中串连的大电感去掉后,输出正常。所以在开关电源中,输入电压供电的线路中加入大电感,虽然在一定程度上有隔掉直流分量的作用,但是同样影响的开关电源的的正常工作。

二、开关电源虽然具有很高的效率,但是毕竟不是100%,而且开关电源芯片的热阻相对比较小,散热能力相对差,所以一定要计算系统所需的电压和电流,从而计算出系统的功耗,然后根据效率曲线计算出消耗在开关电源芯片的上功耗。通过热阻计算芯片的温度是否超过芯片能承受的温度。然后留出一定的余量的情况下,选择芯片。

一、开关电源维修具体方法
    1、开关电源维修的时候,我们首先需要利用万用表检测一下各功率器件是否存在击穿短路,例如电源整流桥堆、开关管、高频大功率整流管、抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断等,然后需要再检测各输出电压端口电阻是否异常,如上述器件有损坏的情况我们则需要进行更换新的器件。
    2、我们在完成上述检测之后,接通电源后如还不能正常工作,接着我们就要检测功率因数模块(PFC)和脉宽调制组件(PWM),查阅相关资料,熟悉PFC和PWM模块每个脚的功能及其模块正常工作的必备条件。
    3、对于具有PFC电路的电源则需测量滤波电容两端电压是否为380VDC左右,如有380VDC左右电压,说明PFC模块工作正常,接着检测PWM组件的工作状态,测量其电源输入端VC,参考电压输出端VR,启动控制Vstart/Vcontrol端电压是否正常,利用220VAC/220VAC隔离变压器给开关电源供电,用示波器观测PWM模块CT端对地的波形是否为线性良好的锯齿波或三角形,如TL494 CT端为锯齿波,FA5310其CT端为三角波。输出端V0的波形是否为有序的窄脉冲信号。
    4、在开关电源维修实践中,有许多开关电源采用UC38××系列8脚PWM组件,大多数电源不能工作都是因为电源启动电阻损坏,或芯片性能下降。当R断路后无VC,PWM组件无法工作,需更换与原来功率阻值相同的电阻。当PWM组件启动电流增加后,可减小R值到PWM组件能正常工作为止。在修一台GEDR电源时,PWM模块为UC3843,检测未发现其他异常,在R(220K)上并接一个220K的电阻后,PWM组件工作,输出电压均正常。有时候由于外围电路故障,致使VR端5V电压为0V,PWM组件也不工作,在修柯达8900相机电源时,遇到此情况,把与VR端相连的外电路断开,VR从0V变为5V,PWM组件正常工作,输出电压均正常。
    5、当滤波电容上无380VDC左右电压时,说明PFC电路没有正常工作,PFC模块关键检测脚为电源输入脚VC,启动脚Vstart/control,CT和RT脚及V0脚。修理一台富士3000相机时,测试一板上滤波电容上无380VDC电压。VC,Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常,测量场效应功率开关管G极无V0波形,由于FA5331(PFC)为贴片元件,机器用久后出现V0端与板之间虚焊,V0信号没有送到场效应管G极。将V0端与板上焊点焊好,用万用表测量滤波电容有380VDC电压。当Vstart/control端为低电平时,PFC亦不能工作,则要检测其端点与外围相连的有关电路。
    总之,开关电源电路有易有难,功率有大有小,输出电压多种多样。只要抓住其核心的东西,即充分熟悉开关电源的基本结构以及PFC及PWM模块的特性,它们工作的基本条件,按照上述步骤和方法,多动手进行开关电源的维修,就能迅速地排除开关电源故障,达到事半功倍的效果。

 二、开关电源维修经验之谈
    1、开关电源出现不启振的时候,我们通常需要查看开关频率是否正确、保护电路是否封锁、电压反馈电路、电流反馈电路又没问题,开关管是否击穿等。
    2、开关电源变压器发热或发出“嗞嗞嗞”声,一般是开关频率不对。
    3、开关电源输出电压电源指示灯一闪一闪的一般是副边有短路的。

MOS管最常见的应用可能是电源中的开关元件,此外,它们对电源输出也大有裨益。服务器和通信设备等应用一般都配置有多个并行电源,以支持N+1 冗余与持续工作 (图1)。各并行电源平均分担负载,确保系统即使在一个电源出现故障的情况下仍然能够继续工作。不过,这种架构还需要一种方法把并行电源的输出连接在一起,并保证某个电源的故障不会影响到其它的电源。在每个电源的输出端,有一个功率MOS管可以让众电源分担负载,同时各电源又彼此隔离 。起这种作用的MOS管被称为"ORing"FET,因为它们本质上是以 "OR" 逻辑来连接多个电源的输出。

在ORing FET应用中,MOS管的作用是开关器件,但是由于服务器类应用中电源不间断工作,这个开关实际上始终处于导通状态。其开关功能只发挥在启动和关断,以及电源出现故障之时 。
    相比从事以开关为核心应用的设计人员,ORing FET应用设计人员显然必需关注MOS管的不同特性。以服务器为例,在正常工作期间,MOS管只相当于一个导体。因此,ORing FET应用设计人员最关心的是最小传导损耗。
    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) 参数来定义导通阻抗;对ORing FET应用来说,RDS(ON) 也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON) 与栅极 (或驱动) 电压 VGS 以及流经开关的电流有关,但对于充分的栅极驱动,RDS(ON) 是一个相对静态参数。
    若设计人员试图开发尺寸最小、成本最低的电源,低导通阻抗更是加倍的重要。在电源设计中,每个电源常常需要多个ORing MOS管并行工作,需要多个器件来把电流传送给负载。在许多情况下,设计人员必须并联MOS管,以有效降低RDS(ON)。
    需谨记,在 DC 电路中,并联电阻性负载的等效阻抗小于每个负载单独的阻抗值。比如,两个并联的2Ω 电阻相当于一个1Ω的电阻 。因此,一般来说,一个低RDS(ON) 值的MOS管,具备大额定电流,就可以让设计人员把电源中所用MOS管的数目减至最少。
    除了RDS(ON)之外,在MOS管的选择过程中还有几个MOS管参数也对电源设计人员非常重要。许多情况下,设计人员应该密切关注数据手册上的安全工作区(SOA)曲线,该曲线同时描述了漏极电流和漏源电压的关系。基本上,SOA定义了MOSFET能够安全工作的电源电压和电流。在ORing FET应用中,首要问题是:在"完全导通状态"下FET的电流传送能力。实际上无需SOA曲线也可以获得漏极电流值。
    若设计是实现热插拔功能,SOA曲线也许更能发挥作用。在这种情况下,MOS管需要部分导通工作。SOA曲线定义了不同脉冲期间的电流和电压限值。
    注意刚刚提到的额定电流,这也是值得考虑的热参数,因为始终导通的MOS管很容易发热。另外,日渐升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数,其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。细言之,在实际测量中其代表从器件结(对于一个垂直MOS管,即裸片的上表面附近)到封装外表面的热阻抗,在数据手册中有描述。若采用PowerQFN封装,管壳定义为这个大漏极片的中心。因此,RθJC 定义了裸片与封装系统的热效应。RθJA 定义了从裸片表面到周围环境的热阻抗,而且一般通过一个脚注来标明与PCB设计的关系,包括镀铜的层数和厚度。
    开关电源中的MOS管
    现在让我们考虑开关电源应用,以及这种应用如何需要从一个不同的角度来审视数据手册。
从定义上而言,这种应用需要MOS管定期导通和关断。同时,有数十种拓扑可用于开关电源,这里考虑一个简单的例子。DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能(图2),这些开关交替在电感里存储能量,然后把能量释放给负载。目前,设计人员常常选择数百kHz乃至1 MHz以上的频率,因为频率越高,磁性元件可以更小更轻。

 显然,电源设计相当复杂,而且也没有一个简单的公式可用于MOS管的评估。但我们不妨考虑一些关键的参数,以及这些参数为什么至关重要。传统上,许多电源设计人员都采用一个综合品质因数(栅极电荷QG ×导通阻抗RDS(ON))来评估MOS管或对之进行等级划分。
    栅极电荷和导通阻抗之所以重要,是因为二者都对电源的效率有直接的影响。对效率有影响的损耗主要分为两种形式--传导损耗和开关损耗。
    栅极电荷是产生开关损耗的主要原因。栅极电荷单位为纳库仑(nc),是MOS管栅极充电放电所需的能量。栅极电荷和导通阻抗RDS(ON) 在半导体设计和制造工艺中相互关联,一般来说,器件的栅极电荷值较低,其导通阻抗参数就稍高。开关电源中第二重要的MOS管参数包括输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。
    某些特殊的拓扑也会改变不同MOS管参数的相关品质,例如,可以把传统的同步降压转换器与谐振转换器做比较。谐振转换器只在VDS (漏源电压)或ID (漏极电流)过零时才进行MOS管开关,从而可把开关损耗降至最低。这些技术被成为软开关或零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)技术。由于开关损耗被最小化,RDS(ON) 在这类拓扑中显得更加重要。
    低输出电容(COSS)值对这两类转换器都大有好处。谐振转换器中的谐振电路主要由变压器的漏电感与COSS决定。此外,在两个MOS管关断的死区时间内,谐振电路必须让COSS完全放电。
    低输出电容也有利于传统的降压转换器(有时又称为硬开关转换器),不过原因不同。因为每个硬开关周期存储在输出电容中的能量会丢失,反之在谐振转换器中能量反复循环。因此,低输出电容对于同步降压调节器的低边开关尤其重要。

 


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