第二章　开关电源的设计流程与主要部件的制作与选择

第一节　开关电源设计流程与移植法设计开关电源

一、开关电源设计流程

开关电源的设计与制作要从主电路开始,其中功率变换电路是开关电源的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构,该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。下面介绍开关电源设计与制作一般流程。

1.解定电路结构(DC/DC变换器的结构)

无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源,其核心都是DC/DC变换器。因此,开关电源的电路结构就是指DC/DC变换器的结构。开关电源中常用的DC/DC变换器拓扑结构如下:

① 降压式变换器,亦称降压式稳压器。

② 升压式变换器,亦称升压式稳压器。

③ 反激式变换器。

④ 正激式变换器。

⑤ 半桥式变换器。

⑥ 全桥式变换器。

⑦ 推挽式变换器。

降压式变换器和升压式变换器主要用于输入、输出不需要隔离的DC/DC变换器中;反激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的小功率AC/DC或DC/DC变换器中,正激式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较大功率AC/DC或DC/DC变换器中;半桥式变换器和全桥式变换器主要用于输入/输出需要隔离的大功率AC/DC或DC/DC变换器中;其中全桥式变换器能够提供比半桥式变换器更大的输出功率;推挽式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较低输入电压的DC/DC或DC/AC变换器中。

顾名思义,降压式变换器的输出电压低于输入电压,升压式变换器的输出电压高于输入电压。在反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式等具有隔离变压器的DC/DC变换器中,可以通过调节高频变压器的一、二次匝数比,很方便地实现电源的降压、升压和极性变换。此类变换器既可以是升压型,也可以是降压型号,还可以是极性变换型。在设计开关电源时,首先要根据输入电压、输出电压、输出功率的大小及是否需要电气隔离,选择合适的电路结构。

2.选择控制电路(PWM)

开关电源是通过控制功率晶体管或功率场效应管的导通与关断时间来实现电压变换的,其控制方式主要有脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制三种。脉冲宽度调制方式,简称脉宽度调制,缩写为PWM;脉冲频率调制方式,简称脉频调制,缩写为PFM;混合调制方式,是指脉冲宽度与开关频率均不固定,彼此都改变的方式。

PWM方式,具有固定的开关频率,通过改变脉冲宽度来调制占空比,因此开关周期也是固定的,这就为设计滤波电路提供了方便,所以应用最为普通。目前,集成开关电源太多采用此方式。为便于开关电源的设计,众多厂家将PWM控制器设计成集成电路,以便用户选择。开关电源中常用的PWM控制器电路如下:

① 自激振荡型PWM电路。

② TL494电压型PWM控制电路。

③ SG3525电压型PWM控制电路。

④ UC3842电流型PWM控制电路。

⑤ TOPSwitch-ii系列的PWM控制电路。

⑥ TinySwitch系列的PWM控制电路。

3.确定辅助电路

开关电源通常由输入电磁干扰滤波器、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制电路、输出整流滤波电路等组成。其中功率变换电路是开关电源的主要电路,对开关电源的性能起决定作用。根据不同的拓扑结构,开关电源还需要一些辅助电路才能正常工作。有些电路可能包含在主要电路环节当中。开关电源中常见的辅助电路如下:

① 电压反馈电路。

② 尖峰电压吸收电路。

③ 输入滤波电路。

④ 整流滤波电路。

⑤ 输出过电压保护电路。

⑥ 输出过电流保护电路。

⑦ 尖峰电流抑制电路。

其中电压反馈电路是各类开关电源都具有的辅助电路。尖峰电压吸收电路是反激型开关电源必需的辅助电路。输入滤波电路通常只在AC/DC变换器出现。整流滤波电路包括工频(50Hz)整流滤波和高频整流滤波。自激振荡型本身就具有输出过电流保护特性。有时还需要开关电源具有防雷击保护电路,输入过电压、欠电压保护电路等。设计人员可以根据设计要求进行适当的取舍。

4.整理电路原理图

开关电源的拓扑结构、控制电路和辅助电路确定以后,就可以整理、绘制电路原理图。以便确定所有元器件的型号、参数及数量,完成各元件引脚之间的电路连接。电路原理图应按照信号流程和功能划分不同区域,力求布线清晰、整洁,密度分配合理,信号流向清楚。然后确定所有元器件的封装,以及电路板设计时的元器件布局与布线。

5.制作高频变压器

高频变压器的设计和制作是开关电源的关键技术。在半桥式、全桥式和推挽式开关电源中,高频变压器通过的是交变的电流,不存在直流磁化,设计方法和工频变压器基本相同,只是采用的磁芯材料不同,设计起来相对简单一些。正激式开关电源的高频变压器与全桥式有相同之处,但存在直流磁化问题,设计起来要复杂一些。因此有时会在高频变压器中增加去磁绕组,以便降低设计难度。反激式开关电源在小功率开关电源中应用最为普通,但其高频变压器的设计也是最为复杂。

反激式开关电源的高频变压器相当于一只储能电感,在固定的开关频率下,其储存的能量大小直接影响开关电源的输出功率。在设计反激式开关电源的高频变压器时,需要以下几个步骤:

① 首先要根据一次绕组的峰值电流I_p和开关电源的输出功率P,计算一次电感量L_p。

② 然后选择磁芯与骨架并确定相关参数。

③ 接下来依据选定的磁芯截面积和磁路长度等参数计算一次匝数N_p。

④ 根据一次和二次的变化值计算二次绕组匝数N_s。

⑤ 为了防止高频变压器出现磁饱和,通常要在磁芯中加入空气间隙(简称气隙),还需要根据一次电感量L_p和所选磁芯参数计算气隙长度。

⑥ 最后还要根据峰值电流I_p和所选磁芯参数计算最大磁通密度B_m,检验是否满足磁芯材料要求。在部分条件不能满足时,要重新选择磁芯与骨架,进行计算和检验,直到满足设计要求为止。

6.设计印制板

开关电源的印制板设计与一般电子线路的印制板设计既有相同之处,又有不同的特点。一般电子线路的印制板设计中提到的布局、布线及铜线宽度与通过电流的关系等原则,在开关电源的印制板设计中也同样适用。开关电源中除了常用标准封装的电阻、电容以及集成电路以外,还包含着大量非标准封装的电感、高频变压器、大容量电解电容、大功率二极管、三极管以及各种尺寸的散热器等元件。这些元件的封装要在印制板设计之前自行确定,可以根据厂家提供的外形尺寸或实际测绘确定。开关电源的印制板设计还要特别注意以下问题:

① 元件布局问题。

② 地线布线问题。

③ 取样点选择问题。

开关电源中的元件布局,重点考虑主电路关键元件。开关电源中输入滤波电容、高频变压器的一次绕组和功率开关管组成一个较大脉冲电流回路。高频变压器的二次绕组、整流或续流二极管和输出滤波电容组成另一个较大脉冲电流回路。这两个回路要布局紧凑、引线短捷。这样可以减小泄漏电感,从而降低吸收回路的损耗,提高电源的效率。

开关电源中的地线回路,不论是一次还是二次,都要流过很大的脉冲电流。尽管地线通常设计的较宽,但还会造成较大的电压降落,从而影响控制电路的性能。地线的布线要考虑电流密度的分布和电流的流向,避免地线上的压降被引入控制回路,造成负载调整率下降。

开关电源中取样点选择的选择尤为重要,在取样回路中,既要考虑负载产生的压降,也要考虑整充或续流电路产生的脉冲电流对取样的影响。取样点应该尽量选择在输出端子的两端,以便得到最好的负载调整率。

7.安装调试

安装前准备好各种元器件、常用的工具和材料。分立元件在安装前要全部测试。先安装体积小、高度低的电阻和二极管元件,然后是集成电路、晶体管、电容器等,最后安装较大尺寸的散热器。

调试前准备好相关调试仪器,开关电源的调试仪器主要有隔离变压器、自耦调压器、交流电压表、交流电流表、直流电压表、直流电流表和双踪示波器。其中电压、电流表可用几块同型号的数字万用表代替。

电路安装完毕后,不要急于通电,首先要根据电路原理图认真检查电路接线是否正确,元器件引脚之间有无短路,二极管、三极管和电解电容性有无错误等。然后连接相关测试仪器,检查仪表挡位是否正确,通电前确保自耦调压器触头处于足够低的输出电压位置,电路是否需要接入最小负载以及负载连接是否正确等。

电源接通后不要急于测量数据,应首先观察有无异常现象,调节自耦调压器触头,使输入电压逐渐升高,用示波器观测开关晶体管的集电极或漏极的电压波形,这一点最为重要,该电压波形可以反映出尖峰电压大小以及开关管是否饱和导通,是防止开关管损坏的最佳方法。此外还要观察输入电流是否过大,有无冒烟,是否闻到异常气味,手摸元器件是否发烫等现象。

开关电源正常工作之后,可以进行性能测试。首先是稳压范围的测试,在轻载条件下,将输入电压从最小值开始逐渐升高到最大值,观察输出电压是否稳定。然后是负载特性的测试,在额定输入电压条件下,将负载电流从最小值开始逐渐升高到最大值,观察输出电压是否稳定。在最大负载时,将输入电压从最小值逐渐升高到最大值,观察输出电压变化情况。

在调试电路过程中对测试结果做详尽记录,以便深入分析后对电路与参数做出合理的调整。最后根据设计要求,还可对电源调整率、负载调整率、输出纹波、输入功率及效率、动态负载特性、过压及短路保护等性能参数做更为详细的测试。

二、移植法设计、理解开关电源

所谓的移植法就是根据前面的设计流程把所需要的电路在所学过的知识中移过来,综合成所需要的电路,所以是无论设计人员还是维修人员,要知道开关电源的电路单元原理才能快速读懂开关电源,要学会等效法理解开关电源电路(如将集成电路等效为最简单的分立元件电路),下面讲解具体移植过程及电路等效分析。

1.输入电路

输入电路主要是滤波电路,目前开关电源使用的滤波电阻主要是LC复式滤波器,如图2-1所示。

图2-1　多种滤波电路

2.整流电路

对于整流电路,主要有输入整流电路、输出整流电路,按照整流电路分类只要为桥式全波整流,多用于输入整流电路;全波整流电路,主要用于输出整流电路;半波整流电路,用于输出整流电路(图2-2)。

图2-2　多种整流电路

3.振荡电路

振荡电路是产生脉冲的电路,可以利用直流产生交变脉冲,控制开关管的开关状态,开关电源中的振荡电路主要为自激电感式振荡电路(图2-3)和多谐振荡器电路(图2-4),都有集成电路和分立元件之分。实际理解集成电路振荡原理时可以按照分立元件电路理解(图2-5)。

图2-3　自激电感式振荡电路

图2-4　多谐振荡器电路

图2-5　集成电路振荡电路

4.脉冲调宽电路

根据波形图可以知道,只要改变R_K阻值,即可以改变Q901基极的脉冲宽度。改变R_K阻值过程称为基极脉冲调宽过程(图2-6)。

图2-6　脉冲调宽电路与波形图

5.开关管电路

开关管电路应用的主要有单三极管型开关管电路(图2-7)、场效应管电路、桥式开关管电路(图2-8)。

图2-7　单三极管型开关管电路

图2-8　桥式开关管电路

6.稳压过程

由脉冲调宽可以知道,基极脉宽受R_K阻值大小控制,只要改变R_K阻值,即可以改变Q901基极的脉冲宽度,从而改变Q901导通截止时间,导通时间长,变压器储存磁电能大,输出电压上升;导通时间短,开关变压器储存磁电能少,输出电压低,所以只要利用控制电路改变阻值,即可达到稳压和调压的目的。稳压电路由基准电压、取样、误差放大、控制电路构成。稳压过程见图2-9和图2-10中箭头指示。

图2-9　无隔离式稳压

图2-10　用光耦隔离式稳压电路

7.保护电路

开关电源电路中设有多种保护电路,主要由过压取样电路和执行元件构成,一般过压取样多为稳压二极管取样,执行元件可以是三极管、可控硅等元件(图2-11)。

图2-11　保护电路

8.辅助电路

辅助电路还有尖峰吸收电路、钳位电路(参见前面章节介绍)、杂波泄放电路等(图2-12)。

图2-12　电磁干扰泄放电路

由于开关电源目前多应用的是隔离式开关电源,为了防止干扰,在冷地与热地之间需要增加一些元件,泄放掉杂波。