电源研发中22个常见经典问题分析


问题1:我们小功率用到最多的反激电源,为什么我们常常选择65K或许100K(这些频率段附近)作为开关频率?有哪些原因约束了?或许哪些情况下我们可以增大开关频率?或许减小开关频率?
 
开关电源为什么常常选择65K或许100K左右规划作为开关频率,有的人会说IC厂家都是出产这样的IC,当然这也有原因。每个电源的开关频率会抉择什么?
 
应该从这儿去考虑原因。还会有人说频率高了EMC不好过,一般来说是这样,但这不是必定,EMC与频率有联络,但不是必定。想象我们的电源开关频率 前进了,直接带来的影响是什么?当然是MOS开关损耗增大,因为单位时间开关次数增多了。假设频率减小了会带来什么?开关损耗是减小了,但是我们的储能器 件单周期供应的能量就要增多,必定需求的变压器磁性要更大,储能电感要更大了。选取在65K到100K左右就是一个比较合适的阅历折中,电源就是在折中合理化折中进行。
 
假设在特别现象下,输入电压比较低,开关损耗已经很小了,不在乎这点开关损耗吗,那我们就可以前进开关频率,起到减小磁性器件体积的意图。
 
要害:怎样选择合适IC的开关频率?干流IC的开关频率为什么是大概是这么一些规划?开关频率和什么有关,说的是广泛情况,不是想钻牛角尖许多IC还有什么不同的频率。更多的想发散我们思维去留心到这些问题!
 
在广泛情况下:首要想提的是开关频率和什么有关,怎样去选择合适开关频率,为什么干流IC以及开关频率是这么多,留心不是必定,是广泛情况,让新手区了解一般行为,当然开关电源想怎样做都可以,要能合理运用。
 
1、你是怎样知道一般选择65或许100KHZ,作为开关电源的开关频率的?(调研广泛的大厂家干流IC,这二个会比较多,当然也有一些在这附近,还有一些是可调的开关频率)
 
2、又是怎样在作业中发现开关电源开关频率确实作业在65KHZ,或100KHZ的。(从规划角度考量,广泛电源运用这个规划)
 
3、有两张以上的测验65KHZ100KHZ频率的图片说明吗?(何止二张图片,毫无意义)
 
4、你是否知道开关电源可以作业在1.5HZ(你觉得这样谈有必要,作业没有什么不可以,纯熟钻牛角尖,做技能牢记钻牛角尖,那你能谈谈为什么广泛电源不作业在1.5HZ,说这个才有意义,你做出1.5HZ的电源纯属毫无意义的工作)
 
提示:做技能人员牢记钻牛角尖,我们不是校园研讨派,是需求将理论与实践现结合起来,做出来的产品才是有意义的产品!
   
问题2:LLC中为什么我们常在二区规划开关频率?一区和三区为什么不可以?有哪些要素约束呢?或许假设选取一区和三区作为开关频率会有什么结果呢?
 
LLC的原理是运用理性负载随开关频率的增大而感抗增大,来进行调度输出电压的,也就是PFM调制。并且MOS管注册损耗ZVS比ZCS小,一区是 容性负载区,天然不可取。那么三区,开关频率大于谐振频率,这个仍是理性负载区,按道理MOS完结ZVS没有问题,确实如此。但是我们不能疏忽副边的输出 二极管关断。也就是原边MOS管关断时,谐振电流并没有减小到和励磁电流相等,完结副边整流二极管软关断。这也是我们一般也不选择三区的原因。
 
我们不能只按前人的阅历去规划,而要知道只所以这样规划是有其必定的道理的!
 
问题3:当我们反激的占空比大于50%会带来什么?好的方面有哪些?不好的方面有哪些?
 
反激的占空比大于50%意味着什么,占空比影响哪些要素?
 
榜首:占空比规划过大,首要带来的是匝比增大,主MOS管的应力必定前进。一般反激选取600V或650V以下的MOS管,本钱考虑。占空比过大必定接受不起。
 
第二:很重要的是许多人知道,需求斜坡补偿,否则环路震动。不过这也是有条件的,右平面零点的发作需求作业在CCM方法下,假设规划在DCM方法 下也就不存在这一问题了。这也是小功率为什么规划在DCM方法下的其间一个原因。当然我们规划满意好的环路补偿也能战胜这一问题。
 
当然在特别现象下也需求将占空比规划在大于50%,单位周期内传递的能量增加,可以减小开关频率,抵达提高功率的意图,假设反激为了功率做高,可以考虑这一方法。
 
问题4:反激电源假设要做到必定的功率,需求从哪些方面着手?准谐振?同步整流?
 
反激的一大下风就是功率问题,改善功率有哪些途径可以考虑的呢?减小损耗是必定的,损耗的点有开关管,变压器,输出整流管,这是首要的三个部分。
 
开关管我们知道反激首要是PWM调制的硬开关居多,开关损耗是我们的一大难点,好在软开关的出现看到了希望。反激无法向LLC那样做到全谐振,那只 能朝准谐振去开展(部分时间段谐振),这样的IC也有许多问世,我司用的较多是NCP1207,通过在MOS管关断后,下一次注册前1脚检测VCC电压过零后,然后在一个设定时间后注册下一周期。
 
变压器的损耗怎样做到最小,完美运用的变压器后边问题会触及到。
 
同步整流一般在输出大电流情况下,副边整流流二极管,哪怕用肖特基损耗仍然会很大,这时分选用同步整流MOS代替肖特基二极管。有些人会说这样本钱高不如用LLC,或许正激呢,当然没有最好的,只需更合适的。
 
问题5:电源的传导是怎样构成的?传导的途径有哪些?常用的手法?电源的辐射受哪些东西影响?怎样做大功率的EMC?
 
电源传导丈量方法是通过接收输入端口L,N,PE来自电源内部的高频烦扰(一般150K到30M)。
 
处理传导有必要弄清楚通过哪些途径削弱端口接收到的烦扰。
 
一般有二种方法:L,N差模成分,以及通过PE地回路的共模成分。有些频率是差共模均有。
 
通过滤波的方法:一般选用二级共模分配Y电容来滤去,选择的方法技巧也很重要,布板影响也很大。一般挨近端口放置低U电感,最好是镍锌质料,专门针 对高频,绕线方法选用双线并绕,削减差模成分。后级一般放置感量较大,在4MH到10MH附近,只是阅历值,详细需求与Y电容分配。X电容滤差模也需求挨近端口,一般放在二级共模中间。放置Y电容,电容布板时走线需求加粗,不可外挂,否则效果很差。(这些只是输入滤波网络上做文章)
 
当然也可以从源头上下手,传导是辐射耦合到线路中的成果,削弱了开关辐射也能对传导带来长处。影响辐射的几处一般有MOS管注册速度,整流管导通关断,变压器,以及PFC电感等等。这些电路上的规划需求与其他方面折中不做胪陈。
 
一些阅历技巧:针对大功率的EMC一般需求增加屏蔽,马到成功,屏蔽的部位一般有几处选择:
 
榜首:输入EMI电路与开关管间屏蔽,这对EMC有很大的效果,许多靠滤波器无效的选用该方法一般很有效果。
 
第二:变压器初次级屏蔽,一般规划变压器若有空间最好加上屏蔽。
 
第三:散热器的方位能很好充当屏蔽,合理布板运用,散热器接地选择也很重要。
 
第四:判别辐射源头方位,一般有几个简单的方法,不用定完全准确,可以参看,输入线套磁环若对EMC有长处,一般是原边MOS管,输出线套磁环若对EMC有效果,一般是副边输出整流管,特别是大于100M的高频。可以考虑在输出加电容或许共模电感。
 
当然还有许多其他的细节技巧,特别是布板环路方面的,后边对LAYOUT会单独解说。
 
问题6: 我们选择拓扑时需求考虑哪些方面的要素?各种拓扑运用环境及优缺点?
 
规划电源的榜首步不知道我们会想到什么呢?我是这么想,详尽研讨客户的技能方针要求,转换为电源的标准书,与客户交流方针,不同的方针意味着规划难度和本钱,也是对我提出的问题有很大的影响,选择拓扑时根据我们的电源方针结合成原本考虑的,哪常用的几种拓扑特征在哪呢 ?
 
这儿首要谈隔绝式,非隔绝式应用有限,当然也是本钱最低的。
 
反激:适用在小于150W,理论这么说,实践大于75W就很少用,不谈很特别的情况。反激的有点本钱低,调试简单(相关于半桥,全桥),首要是 磁芯单向励磁,功率由局限性,功率也不高,首要是硬开关,漏感大等等原因。全电压规划(85V-264V)功率一般在80%以下,单电压抵达80%很简单。
 
正激:功率适中,可做中小功率,功率一般在200W以下,当然可以做很大功率,只是不常常这么做,原因是正激和反激相同单向励磁,做大功率磁芯体积要求大,当然选用2个变压器串并联的也有,留心只谈一般现象,不误导新人。正激有点,本钱适中,当然比反激高,长处功率比反激高,特别选用有源箝位做 原边吸收,将漏感能量重新运用。
 
半桥:现在比较火的是LLC谐振半桥,中小功率,大功率通吃型。(一般大于100W小于3KW)。特征本钱比反激正激高,因为多用了1个MOS管 (双向励磁)和1个整流管,控制IC也贵,环路规划业凌乱(一般选用运放,特别还要做电流环)。长处:选用软开关,EMC好,功率极高,比正激高,我做过 960W LLC,功率可达96%以上(全电压)(当然PFC是选用无桥方法)。其它半桥我不引荐,至少我不会去用,比较老的不对称桥,很难做到软开关,LLC老练从前用的多,现在很少用,至少艾默生等大公司都倾向于LLC,跟着干流走一般都不会错。
 
全桥:一般用在大于2KW以上,首推移相全桥,特征,双向励磁,MOS管应力小,比LLC应力小一半,大功率特别输入电压较高时,一般用移相全桥, 输入电压低用LLC。本钱特别高,比LLC还多用2个MOS。这还不是首要的,首要是驱动凌乱,一般的IC驱动能力都达不到,要将驱动扩大,选用隔绝变压器驱动,这儿才是本钱高的另一方面。
 
推挽:应用在大功率,特别是输入电压低的大功率场合,特征电压应力高,当然电流应力小,大功率用全桥仍是推挽一般看输入电压。变压器多一个绕组,管子应力要求高,当然常提到的磁偏磁也需求战胜。这个我真没用过,没触及电力电源,很难用到它的时分。
 
问题7:考虑电源本钱时,我们要从哪里下手呢?
 
规划电源,本钱点评必不可少,现在客户将电源的本钱压得很低,各大竞争对手无不都在打价格战,我们都能做出电源来,就看谁做得更廉价,才干赢得订单,从哪些方面下手有利于我们本钱呢:
 
榜首:技能方针。电源技能方针越高,本钱越高,假设你的电源本钱高了,那你可以打你的功用方针卖点,多了功用要求,电路增多了本钱天然高。也是和客户谈话的本钱。
 
第二:物料收买本钱,为什么大公司电源获利高?无非是他们有着优越的收买途径,收买量大,物料本钱低,当然本钱更低。假设不考虑收买,作为工程师必 须弄清楚不同物料对应的本钱,比如能用贴片,少用插件,(比如插件电阻比贴片本钱高),能用国产,不用台资,能用台资不用日系,这儿的价格差异不菲。(比 如日系电容比国产电容价格高几倍不止!当然质量也有差异)
 
第三:影响本钱的重要器件:变压器,电感,MOS管,电容,光耦,二极管及其他半导体器件,IC等。 不同的变压器厂家绕出来的变压器价格差异很大,MOS管应力,热阻选择够用就行,IC方案的本钱等。
 
其它方面导致本钱问题:器件散热器,大小合适,多了就是浪费钱。PCB布板,能用单面板用成双面板就是浪费钱,PCB布板工艺,选择合理的工艺加工本钱低,出产功率高。
 
问题8:电源的环路规划,电源哪些部分影响电源的环路?好的环路有哪些方针抉择?
 
电源的环路规划一直是一个难点,为什么这么说,因为首要影响的要素太多,理论核算很难做到准确,仿真也是根据理想化模型,在这儿只谈关于环路规划的一些影响要素,从定性的角度去了解环路以及怎样去做环路补偿。
 
环路是根据输入输出不坚定时,需求通过反响,环路相应奉告控制IC去调度,维持输出的安稳。电源环路一般都是串联负反响,有的是电压串联负反响(CC方法下),有的是电流串联负反响(CV方法下)。
 
那有哪些地方会影响环路呢?电路中的零点以及极点。零点一般会导致增益上升,引起90度相移(右半平面零点会引起-90度相移)。极点一般会导致增益下降,引起-90度相移,左半平面极点会引起系统震动。所以我们需求凭仗零点极点补偿手法去合理调控我们的环路。关于低频部分,为了满意满意增益一般引进零点补偿,关于高频烦扰一般引进极点补偿去抵消,削减高频烦扰。
 
环路安稳的原则是:
 
1.在穿越频率处(即增益为零dB时的频率),系统的相位余量大于45度。
 
2.在相位抵达-180度时增益的余量大于-12dB.3.防止过快的进入穿越频率,在进入穿越频率附近的曲线斜率为-1。
 
针对一般反激电路:
 
1.发作零点的有输出滤波电容 :可以使环路增益上升。(一般在中频4K左右,对增益有长处,无需补偿)
 
2.若作业在CCM方法下还会发作右半平面零点。在高频段,可选用极点补偿。这个一般很难补偿,尽量防止,让穿越频率小于右半平面零点频率(15K 左右,随负载改变会改变)选取。
 
3.负载会发作低频极点。选用低频零点去补偿。
 
4.LC滤波器会发作低频极点,需求选用零点补偿。在心中要清楚哪些零极点 是利是弊,针对性补偿。
 
补偿的电路,针对电源环路来说比较简单,一般选用对运放选用2型补偿,也有的会选用3型补偿很少用。
 
问题9:对各种拓扑的软开关方法有哪些?软开关是怎样完结的?
 
软开关现在运用很一再,一来可以提高次功率,二来可以利于EMC。许多拓扑都开始运用软开关了,就连反激假设为了做高功率也引进了准谐振来完结软开关,这个在前面问题已讲过。LLC的软开关在前面问题也提过完结条件,详细完结进程没有细讲。这儿就共享下我对软开关的了解。
 
完结条件及进程:运用软开关需求二个元素,一个是C一个是L来完结谐振(当然也可以多谐振方法),谐振会发作正弦波,正弦波就能完结过零。假设是串联谐振归于电压谐振,并联谐振归于电流谐振。
 
其次软开关和硬开关的差异是:硬开关进程中电压电流有堆叠,软开关要么电流为零(ZCS)要么电压为零(ZVS)。MOS管的软开关可以运用结电容 或许并电容,然后串电感完结串联ZVS,例如准谐振反激,有源箝位吸收电路,移向全桥的软开关。也有LC并联ZCS,不过用的很少,因为MOS管ZVS的 损耗小于ZCS。LLC归于串并联式,不过我们运用的是ZVS区。(在死区的时分谐振电流过零,上管软注册前,先给下管结电容充电,上管完结软注册)
 
问题10:什么样的变压器才算是最完美适用的?变压器抉择了什么,影响了什么?
 
规划变压器是各种拓扑的中心点之一,变压器规划的好坏,影响电源的方方面面,有的无法作业,有的功率不高,有的EMC难做,有的温升高,有的极限情况会丰满,有的安规过不了,需求归纳各方面的要素来规划变压器。
 
规划变压器从哪里下手呢?一般来说根据功率来选择磁芯大小,有阅历的可参看自己规划过的,没阅历的只能依照AP算法去算,当然还要留有必定的余量,最终试验去查验规划的好坏。
 
一般小功率反激引荐的用的比较多EE型,EF型,EI型,ER型,中大功率PQ的用的比较多,这儿面也有每个人的习气以及不同公司的途径差异,功率很大的,没有合适的磁芯,可以二个变压器原边串副边并的方法来做。
 
不同拓扑对变压器的要求也不相同,比如反激,需求考虑的是需求作业在什么方法下,感量怎样调度适中。特别是多路输出必定要留心负载调整率满意需求, 耦合的效果要好,比如选用并绕,均匀绕制,以及副边匝数尽可能增多。MOS管耐压抉择匝比,怎样选取合适的占空比,选取多大的Bmax(一般小于 0.35,当然0.3更好,即时短路也不会丰满太严峻)有的还需求增加屏蔽来整改EMC,原副边屏蔽一般加2层,外屏蔽1层就好。
 
大功率变压器一般更多的是关注损耗,需求铜损和磁损抵达平衡,还要考虑到风冷天然冷,电流密度多大合适,功率稍大(大于150W)的一般电流密度相对取小些(3.5-4.5),功率小的(5.0-7.0)。
 
还要清楚电源过的什么安规,挡墙是不是满意,层间胶带是否设置合理也是不可以忽视的,一旦要做认证去改变压器也是影响进展的。
 
问题11:我们真的需求到沉迷规划东西,依托仿真的境地吗?
 
电源的规划东西首要用在以下几个方面:
 
1.选择磁芯及规划变压器;
2.环路仿真规划;
3.主功率拓扑仿真;
4.仿照电路仿真;
5.热仿真(针对大功率);
6.核算东西(核算书)等。
 
关于新人来说,我给的建议少用东西,多核算,自己掌握规划的进程,因为东西是人做的,不同人的规划习气差异,不能用一个固定的规划方法来规划不同的电源。
 
有些仿真可以与规划相结合:比如环路规划好后是很难直接满意规划需求的,仿真可以在试验前很好验证,但仿真也不是完全和试验相同,至少不会差太远。
 
熟练运用Mathcad和Saber也是必要的,只是许多我们需求弄清原理的层面,把东西只需求作为核算器来运用,更快速便当更高效来满意我们规划就好,想纯依托东西来规划电源,无疑是走入极大误区。
 
问题11:我们真的需求到沉迷规划东西,依托仿真的境地吗?
 
电源的规划东西首要用在以下几个方面:
 
1.选择磁芯及规划变压器
 
2.环路仿真规划
 
3.主功率拓扑仿真
 
4.仿照电路仿真
 
5.热仿真(针对大功率)
 
6.核算东西(核算书)等
 
关于新人来说,我给的建议少用东西,多核算,自己掌握规划的进程,因为东西是人做的,不同人的规划习气差异,不能用一个固定的规划方法来规划不同的电源。
 
有些仿真可以与规划相结合:比如环路规划好后是很难直接满意规划需求的,仿真可以在试验前很好验证,但仿真也不是完全和试验相同,至少不会差太远。
 
熟练运用Mathcad和Saber也是必要的,只是许多我们需求弄清原理的层面,把东西只需求作为核算器来运用,更快速便当更高效来满意我们规划就好,想纯依托东西来规划电源,无疑是走入极大误区。
 
问题12:评判一块电源板LAYOUT好坏有哪些地方能言必有中发现?
 
什么样的PCB是一块好的PCB,至少要满意以下一个方面:
 
1.电功用方面烦扰小,要害信号线及底线走的合理,各方面功用安稳(前提是电路无缺点);
 
2.利于EMC,辐射低,环路走的合理;
 
3.满意安规,安规距离满意要求;
 
4.满意工艺,量产可出产性,以及减小出产本钱;
 
5.美丽,布局规矩有序 (器件不杂乱无章),走线美丽美丽,不七弯八绕的。
 
怎样才干做到以上几点,共享我的布板阅历:
 
1.布局前,了解清楚电源的标准书,电源的标准,有无特别要求,以及要过的安规标准。结构输入条件是不是准确,以及风道确实认,输入输出端口确实认,以及主功率流向。工艺路途选取,根据器件的密度,以及有无特别器件,选择相对应工艺路途。
 
2.布局中,留心合理的布局,保证四大环路尽可能小,提前预判后续走线是否好走。变压器的摆放基本抉择了整体的布局,必定要慎重,放到最佳方位。 EMI部分的布局流向明晰,与其它主功率部分有明晰的隔绝带。削减受到主功率开关器件的烦扰。各吸收回路的面积尽可能小,散热器的长度以及方位要合理,不挡风道。
 
3.走线部分,输入EMI电路的走线是否满意安规,原副边距离,输入输出对大地的距离都要满意安规。走线的粗细是否满意满意的电流大小,要害信号(例如驱动信号,采样信号,地线是否合理),驱动信号不要烦扰灵敏信号(高频信号);采样信号是否采样准确,是否会受到烦扰;地线是否拉得合理(有时需求单点接地,有时需求多点接地跟实践需求有关),主功率地和信号地严格区分隔,原边芯片地从采样电阻取,不要从大电解取(特别是采样电阻和大电解地距离远时),VCC的地前级地回大电解,二级电容地接芯片,反响信号也单点接IC,地单点接IC。散热器的地有必要接主功率地,不能接信号地等等许多的细节要求。
 
问题13:电源的元器件你懂多少?MOS管结电容多大,对哪些有影响?RDS跟温度是什么联络?肖特基反向恢复电流影响什么?电容的ESR会带来哪些影响?
 
电源中的规划的器件类型许多,首要有半导体器件如:MOS管,三极管,IC,运放,二极管,光耦等;磁性器件:电感,变压器,磁珠等;电容:Y电容,X电容,瓷片电容,电解电容,贴片电容等;每种器件都有其标准,极限参数。
 
常规的参数在我们选型很简单掌握,例如选取MOS管,耐压参数肯定会考虑,额定电流也会考虑,导通电阻我们会考虑,但还有一些寄生参数以及一些随温 度改变特性的参数却很少去留心,或许只需在发现问题的时分才会去找。导通电阻Rds(on)随温度升高其阻值是变大的,规划MOS管损耗时要考虑到其作业的环境温度。结电容影响到我们的注册损耗,也会影响到EMC。
 
肖特基二极管耐压,额定电流一般很好留心,有些参数例如导通压降在温度升高时会减小,反向恢复时间短,不过漏电流大(特别是考虑到高温时漏电流影响就更大了),寄生电感会引起关断尖峰很高。
 
电容一个重要参数ESR,在核算纹波时一般会考虑,ESR一般与C的相关是很大的,不过不同厂家的质量要素影响也是很巨大,必定要详细分清楚。
 
一般预算公司可参看:ESR=10/(C的0.73次方),电容在高温时寿数会缩短,低温时容量会减小,漏电流也会增加等等;
 
当然器件在特别现象表现出来的特性差异是值得我们考虑的问题,请我们多多思量,关于我们处理特别情况下的问题十分有协助。
 
问题14:你对磁性材料了解多少,磁环和磁芯有哪些差异?低磁环和高磁环用在什么情况?
 
磁性器件对开关电源的重要性不言而喻,可以说是电源的心脏部位。 磁性材料的品种也繁复,常用来做变压器的一般是铁氧体材料,首要是价格廉价,开关频率最大能做到1000K,够一般情况下运用了。铁氧体磁芯既可以做主变压器也可以做电感,如PFC电感(一般铁硅铝质料居多,性价比高),储能电感也可以。当然在要求高的情况下,特别是大功率一般用磁环,首要是感量可以做大,不易丰满,相对铁氧体磁芯来说,不过缺点是价格贵,特别是大电流,绕制工艺较困难。磁环也分高U值和低U值,首要也是磁环的材料不同照成,高U环磁环外观是绿色,一般EMI电路的共模电感选用,感量会相对较大滤低频,颜色偏灰的是低U环,感量很低,滤高频。一般为了EMC都是分配运用效果一般都比较好!
 
问题15:电源损耗是怎样分布的?MOS管损耗?变压器损耗?变压器除了直流损耗,还有交流损耗怎样算的?
 
电源损耗一般集中在以下一些方面:
 
1.MOS管的注册损耗及导通损耗;
 
2.变压器的铜损和铁损;
 
3.副边整流管的损耗;
 
4.桥式整流的损耗。
 
5.采样电阻损耗;
 
6.吸收电路的损耗;
 
7.其它损耗:PFC电感损耗,LLC的谐振电感损耗,同步整流的MOS管损耗等。
 
针对这些损耗,恰当的减小可以提高功率。1.针对MOS管可选用开关速度快的,导通电阻低的,电路上课选用软开关。2.针对变压器:选择合适大小的磁芯,磁芯太小损耗会大,很难做到铜损和铁损平衡。特别是铜损不只有直流损耗还有交流损耗,交流损耗一般比直流损耗还大2倍,因为铜线在高频下的交流阻抗比直流阻抗大的多,核算时必定要充分预算进去。

【上一个】 如何减少开关电源对电网的干扰 【下一个】 几种开关电源常犯故障和维修技巧


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