【導(dǎo)讀】開關(guān)電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。以下整理出在電源研發(fā)中,22個常見經(jīng)典問題分析。
問題1:我們小功率用到最多的反激電源,為什么我們常常選擇65K或者100K(這些頻率段附近)作為開關(guān)頻率?有哪些原因制約了?或者哪些情況下我們可以增大開關(guān)頻率?或者減小開關(guān)頻率?
開關(guān)電源為什么常常選擇65K或者100K左右范圍作為開關(guān)頻率,有的人會說IC廠家都是生產(chǎn)這樣的IC,當(dāng)然這也有原因。每個電源的開關(guān)頻率會決定什么?
應(yīng)該從這里去思考原因。還會有人說頻率高了EMC不好過,一般來說是這樣,但這不是必然,EMC與頻率有關(guān)系,但不是必然。想象我們的電源開關(guān)頻率 提高了,直接帶來的影響是什么?當(dāng)然是MOS開關(guān)損耗增大,因為單位時間開關(guān)次數(shù)增多了。如果頻率減小了會帶來什么?開關(guān)損耗是減小了,但是我們的儲能器 件單周期提供的能量就要增多,勢必需要的變壓器磁性要更大,儲能電感要更大了。選取在65K到100K左右就是一個比較合適的經(jīng)驗折中,電源就是在折中合理化折中進(jìn)行。
假如在特殊情形下,輸入電壓比較低,開關(guān)損耗已經(jīng)很小了,不在乎這點開關(guān)損耗嗎,那我們就可以提高開關(guān)頻率,起到減小磁性器件體積的目的。
關(guān)鍵:如何選擇合適IC的開關(guān)頻率?主流IC的開關(guān)頻率為什么是大概是這么一些范圍?開關(guān)頻率和什么有關(guān),說的是普遍情況,不是想鉆牛角尖好多IC還有什么不同的頻率。更多的想發(fā)散大家思維去注意到這些問題!
在普遍情況下:主要想提的是開關(guān)頻率和什么有關(guān),如何去選擇合適開關(guān)頻率,為什么主流IC以及開關(guān)頻率是這么多,注意不是一定,是普遍情況,讓新手區(qū)理解一般行為,當(dāng)然開關(guān)電源想怎么做都可以,要能合理使用。
1、你是如何知道一般選擇65或者100KHZ,作為開關(guān)電源的開關(guān)頻率的?(調(diào)研普遍的大廠家主流IC,這二個會比較多,當(dāng)然也有一些在這附近,還有一些是可調(diào)的開關(guān)頻率)
2、又是如何在工作中發(fā)現(xiàn)開關(guān)電源開關(guān)頻率確實工作在65KHZ,或100KHZ的。(從設(shè)計角度考量,普遍電源使用這個范圍)
3、有兩張以上的測試65KHZ100KHZ頻率的圖片說明嗎?(何止二張圖片,毫無意義)
4、你是否知道開關(guān)電源可以工作在1.5HZ(你覺得這樣談有必要,工作沒有什么不可以,純熟鉆牛角尖,做技術(shù)切記鉆牛角尖,那你能談?wù)劄槭裁雌毡殡娫床还ぷ髟?.5HZ,說這個才有意義,你做出1.5HZ的電源純屬毫無意義的事情)
提醒:做技術(shù)人員切記鉆牛角尖,咱們不是校園研究派,是需要將理論與實踐現(xiàn)結(jié)合起來,做出來的產(chǎn)品才是有意義的產(chǎn)品!
問題2:LLC中為什么我們常在二區(qū)設(shè)計開關(guān)頻率?一區(qū)和三區(qū)為什么不可以?有哪些因素制約呢?或者如果選取一區(qū)和三區(qū)作為開關(guān)頻率會有什么后果呢?
LLC的原理是利用感性負(fù)載隨開關(guān)頻率的增大而感抗增大,來進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出電壓的,也就是PFM調(diào)制。并且MOS管開通損耗ZVS比ZCS小,一區(qū)是 容性負(fù)載區(qū),自然不可取。那么三區(qū),開關(guān)頻率大于諧振頻率,這個仍是感性負(fù)載區(qū),按道理MOS實現(xiàn)ZVS沒有問題,確實如此。但是我們不能忽略副邊的輸出 二極管關(guān)斷。也就是原邊MOS管關(guān)斷時,諧振電流并沒有減小到和勵磁電流相等,實現(xiàn)副邊整流二極管軟關(guān)斷。這也是我們通常也不選擇三區(qū)的原因。
我們不能只按前人的經(jīng)驗去設(shè)計,而要知道只所以這樣設(shè)計是有其必然的道理的!
問題3:當(dāng)我們反激的占空比大于50%會帶來什么?好的方面有哪些?不好的方面有哪些?
反激的占空比大于50%意味著什么,占空比影響哪些因素?
第一:占空比設(shè)計過大,首先帶來的是匝比增大,主MOS管的應(yīng)力必然提高。一般反激選取600V或650V以下的MOS管,成本考慮。占空比過大勢必承受不起。
第二:很重要的是很多人知道,需要斜坡補償,否則環(huán)路震蕩。不過這也是有條件的,右平面零點的產(chǎn)生需要工作在CCM模式下,如果設(shè)計在DCM模式 下也就不存在這一問題了。這也是小功率為什么設(shè)計在DCM模式下的其中一個原因。當(dāng)然我們設(shè)計足夠好的環(huán)路補償也能克服這一問題。
當(dāng)然在特殊情形下也需要將占空比設(shè)計在大于50%,單位周期內(nèi)傳遞的能量增加,可以減小開關(guān)頻率,達(dá)到提升效率的目的,如果反激為了效率做高,可以考慮這一方法。
問題4:反激電源如果要做到一定的效率,需要從哪些方面著手?準(zhǔn)諧振?同步整流?
反激的一大劣勢就是效率問題,改善效率有哪些途徑可以思考的呢?減小損耗是必然的,損耗的點有開關(guān)管,變壓器,輸出整流管,這是主要的三個部分。
開關(guān)管我們知道反激主要是PWM調(diào)制的硬開關(guān)居多,開關(guān)損耗是我們的一大難點,好在軟開關(guān)的出現(xiàn)看到了希望。反激無法向LLC那樣做到全諧振,那只 能朝準(zhǔn)諧振去發(fā)展(部分時間段諧振),這樣的IC也有很多問世,我司用的較多是NCP1207,通過在MOS管關(guān)斷后,下一次開通前1腳檢測VCC電壓過零后,然后在一個設(shè)定時間后開通下一周期。
變壓器的損耗如何做到最小,完美使用的變壓器后面問題會涉及到。
同步整流一般在輸出大電流情況下,副邊整流流二極管,哪怕用肖特基損耗依然會很大,這時候采用同步整流MOS替代肖特基二極管。有些人會說這樣成本高不如用LLC,或者正激呢,當(dāng)然沒有最好的,只有更合適的。
問題5:電源的傳導(dǎo)是怎么形成的?傳導(dǎo)的途徑有哪些?常用的手段?電源的輻射受哪些東西影響?怎么做大功率的EMC?
電源傳導(dǎo)測量方式是通過接收輸入端口L,N,PE來自電源內(nèi)部的高頻干擾(一般150K到30M)。
解決傳導(dǎo)必須弄清楚通過哪些途徑減弱端口接收到的干擾。
如圖:一般有二種模式:L,N差模成分,以及通過PE地回路的共模成分。有些頻率是差共模均有。
通過濾波的方式:一般采用二級共模搭配Y電容來濾去,選擇的方式技巧也很重要,布板影響也很大。一般靠近端口放置低U電感,最好是鎳鋅材質(zhì),專門針 對高頻,繞線方式采用雙線并繞,減少差模成分。后級一般放置感量較大,在4MH到10MH附近,只是經(jīng)驗值,具體需要與Y電容搭配。X電容濾差模也需要靠近端口,一般放在二級共模中間。放置Y電容,電容布板時走線需要加粗,不可外掛,否則效果很差。(這些只是輸入濾波網(wǎng)絡(luò)上做文章)
當(dāng)然也可以從源頭上下手,傳導(dǎo)是輻射耦合到線路中的結(jié)果,減弱了開關(guān)輻射也能對傳導(dǎo)帶來好處。影響輻射的幾處一般有MOS管開通速度,整流管導(dǎo)通關(guān)斷,變壓器,以及PFC電感等等。這些電路上的設(shè)計需要與其他方面折中不做詳述。
一些經(jīng)驗技巧:針對大功率的EMC一般需要增加屏蔽,立竿見影,屏蔽的部位一般有幾處選擇:
第一:輸入EMI電路與開關(guān)管間屏蔽,這對EMC有很大的作用,很多靠濾波器無效的采用該方法一般很有效果。
第二:變壓器初次級屏蔽,一般設(shè)計變壓器若有空間最好加上屏蔽。
第三:散熱器的位置能很好充當(dāng)屏蔽,合理布板利用,散熱器接地選擇也很重要。
第四:判斷輻射源頭位置,一般有幾個簡單的方法,不一定完全準(zhǔn)確,可以參考,輸入線套磁環(huán)若對EMC有好處,一般是原邊MOS管,輸出線套磁環(huán)若對EMC有效果,一般是副邊輸出整流管,尤其是大于100M的高頻??梢钥紤]在輸出加電容或者共模電感。
當(dāng)然還有很多其他的細(xì)節(jié)技巧,尤其是布板環(huán)路方面的,后面對LAYOUT會單獨講解。
問題6: 我們選擇拓?fù)鋾r需要考慮哪些方面的因素?各種拓?fù)涫褂铆h(huán)境及優(yōu)缺點?
設(shè)計電源的第一步不知道大家會想到什么呢?我是這么想,細(xì)致研究客戶的技術(shù)指標(biāo)要求,轉(zhuǎn)換為電源的規(guī)格書,與客戶溝通指標(biāo),不同的指標(biāo)意味著設(shè)計難度和成本,也是對我提出的問題有很大的影響,選擇拓?fù)鋾r根據(jù)我們的電源指標(biāo)結(jié)合成本來考慮的,哪常用的幾種拓?fù)涮攸c在哪呢 ?
這里主要談隔離式,非隔離式應(yīng)用有限,當(dāng)然也是成本最低的。
反激:適用在小于150W,理論這么說,實際大于75W就很少用,不談很特殊的情況。反激的有點成本低,調(diào)試容易(相對于半橋,全橋),主要是 磁芯單向勵磁,功率由局限性,效率也不高,主要是硬開關(guān),漏感大等等原因。全電壓范圍(85V-264V)效率一般在80%以下,單電壓達(dá)到80%很容易。
正激:功率適中,可做中小功率,功率一般在200W以下,當(dāng)然可以做很大功率,只是不常常這么做,原因是正激和反激一樣單向勵磁,做大功率磁芯體積要求大,當(dāng)然采用2個變壓器串并聯(lián)的也有,注意只談一般情形,不誤導(dǎo)新人。正激有點,成本適中,當(dāng)然比反激高,優(yōu)點效率比反激高,尤其采用有源箝位做 原邊吸收,將漏感能量重新利用。
半橋:目前比較火的是LLC諧振半橋,中小功率,大功率通吃型。(一般大于100W小于3KW)。特點成本比反激正激高,因為多用了1個MOS管 (雙向勵磁)和1個整流管,控制IC也貴,環(huán)路設(shè)計業(yè)復(fù)雜(一般采用運放,尤其還要做電流環(huán))。優(yōu)點:采用軟開關(guān),EMC好,效率極高,比正激高,我做過 960W LLC,效率可達(dá)96%以上(全電壓)(當(dāng)然PFC是采用無橋方式)。其它半橋我不推薦,至少我不會去用,比較老的不對稱橋,很難做到軟開關(guān),LLC成熟以前用的多,現(xiàn)在很少用,至少艾默生等大公司都傾向于LLC,跟著主流走一般都不會錯。
全橋:一般用在大于2KW以上,首推移相全橋,特點,雙向勵磁,MOS管應(yīng)力小,比LLC應(yīng)力小一半,大功率尤其輸入電壓較高時,一般用移相全橋, 輸入電壓低用LLC。成本特別高,比LLC還多用2個MOS。這還不是首要的,主要是驅(qū)動復(fù)雜,一般的IC驅(qū)動能力都達(dá)不到,要將驅(qū)動放大,采用隔離變壓器驅(qū)動,這里才是成本高的另一方面。
推挽:應(yīng)用在大功率,尤其是輸入電壓低的大功率場合,特點電壓應(yīng)力高,當(dāng)然電流應(yīng)力小,大功率用全橋還是推挽一般看輸入電壓。變壓器多一個繞組,管子應(yīng)力要求高,當(dāng)然常提到的磁偏磁也需要克服。這個我真沒用過,沒涉及電力電源,很難用到它的時候。
問題7:考慮電源成本時,我們要從哪里下手呢?
設(shè)計電源,成本評估必不可少,目前客戶將電源的成本壓得很低,各大競爭對手無不都在打價格戰(zhàn),大家都能做出電源來,就看誰做得更便宜,才能贏得訂單,從哪些方面入手有利于我們成本呢:
第一:技術(shù)指標(biāo)。電源技術(shù)指標(biāo)越高,成本越高,如果你的電源成本高了,那你可以打你的性能指標(biāo)賣點,多了性能要求,電路增多了成本自然高。也是和客戶談話的資本。
第二:物料采購成本,為什么大公司電源利潤高?無非是他們有著優(yōu)越的采購平臺,采購量大,物料成本低,當(dāng)然成本更低。如果不考慮采購,作為工程師必 須弄清楚不同物料對應(yīng)的成本,比如能用貼片,少用插件,(比如插件電阻比貼片成本高),能用國產(chǎn),不用臺資,能用臺資不用日系,這里的價格差異不菲。(比 如日系電容比國產(chǎn)電容價格高幾倍不止!當(dāng)然質(zhì)量也有差異)
第三:影響成本的重要器件:變壓器,電感,MOS管,電容,光耦,二極管及其他半導(dǎo)體器件,IC等。 不同的變壓器廠家繞出來的變壓器價格差異很大,MOS管應(yīng)力,熱阻選擇夠用就行,IC方案的成本等。
其它方面導(dǎo)致成本問題:器件散熱器,大小合適,多了就是浪費錢。PCB布板,能用單面板用成雙面板就是浪費錢,PCB布板工藝,選擇合理的工藝加工成本低,生產(chǎn)效率高。
問題8:電源的環(huán)路設(shè)計,電源哪些部分影響電源的環(huán)路?好的環(huán)路有哪些指標(biāo)決定?
電源的環(huán)路設(shè)計一直是一個難點,為什么這么說,因為主要影響的因素太多,理論計算很難做到準(zhǔn)確,仿真也是基于理想化模型,在這里只談關(guān)于環(huán)路設(shè)計的一些影響因素,從定性的角度去理解環(huán)路以及怎么去做環(huán)路補償。
環(huán)路是基于輸入輸出波動時,需要通過反饋,環(huán)路相應(yīng)告知控制IC去調(diào)節(jié),維持輸出的穩(wěn)定。電源環(huán)路一般都是串聯(lián)負(fù)反饋,有的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋(CC模式下),有的是電流串聯(lián)負(fù)反饋(CV模式下)。
那有哪些地方會影響環(huán)路呢?電路中的零點以及極點。零點一般會導(dǎo)致增益上升,引起90度相移(右半平面零點會引起-90度相移)。極點一般會導(dǎo)致增益下降,引起-90度相移,左半平面極點會引起系統(tǒng)震蕩。所以我們需要借助零點極點補償手段去合理調(diào)控我們的環(huán)路。對于低頻部分,為了滿足足夠增益一般引入零點補償,對于高頻干擾一般引入極點補償去抵消,減少高頻干擾。
環(huán)路穩(wěn)定的原則是:
1.在穿越頻率處(即增益為零dB時的頻率),系統(tǒng)的相位余量大于45度。
2.在相位達(dá)到-180度時增益的余量大于-12dB.3.避免過快的進(jìn)入穿越頻率,在進(jìn)入穿越頻率附近的曲線斜率為-1。
針對一般反激電路:
1.產(chǎn)生零點的有輸出濾波電容 :可以使環(huán)路增益上升。(一般在中頻4K左右,對增益有好處,無需補償)
2.若工作在CCM模式下還會產(chǎn)生右半平面零點。在高頻段,可采用極點補償。這個一般很難補償,盡量避免,讓穿越頻率小于右半平面零點頻率(15K 左右,隨負(fù)載變化會變化)選取。
3.負(fù)載會產(chǎn)生低頻極點。采用低頻零點去補償。
4.LC濾波器會產(chǎn)生低頻極點,需要采用零點補償。在心中要清楚哪些零極點 是利是弊,針對性補償。
補償?shù)碾娐?,針對電源環(huán)路來說比較簡單,一般采用對運放采用2型補償,也有的會采用3型補償很少用。
問題9:對各種拓?fù)涞能涢_關(guān)形式有哪些?軟開關(guān)是如何實現(xiàn)的?
軟開關(guān)目前使用很頻繁,一來可以提升次效率,二來可以利于EMC。很多拓?fù)涠奸_始利用軟開關(guān)了,就連反激如果為了做高效率也引入了準(zhǔn)諧振來實現(xiàn)軟開關(guān),這個在前面問題已講過。LLC的軟開關(guān)在前面問題也提過實現(xiàn)條件,具體實現(xiàn)過程沒有細(xì)講。這里就分享下我對軟開關(guān)的理解。
實現(xiàn)條件及過程:利用軟開關(guān)需要二個元素,一個是C一個是L來實現(xiàn)諧振(當(dāng)然也可以多諧振形式),諧振會產(chǎn)生正弦波,正弦波就能實現(xiàn)過零。如果是串聯(lián)諧振屬于電壓諧振,并聯(lián)諧振屬于電流諧振。
其次軟開關(guān)和硬開關(guān)的差異是:硬開關(guān)過程中電壓電流有重疊,軟開關(guān)要么電流為零(ZCS)要么電壓為零(ZVS)。MOS管的軟開關(guān)可以利用結(jié)電容 或者并電容,然后串電感實現(xiàn)串聯(lián)ZVS,例如準(zhǔn)諧振反激,有源箝位吸收電路,移向全橋的軟開關(guān)。也有LC并聯(lián)ZCS,不過用的很少,因為MOS管ZVS的 損耗小于ZCS。LLC屬于串并聯(lián)式,不過我們利用的是ZVS區(qū)。(在死區(qū)的時候諧振電流過零,上管軟開通前,先給下管結(jié)電容充電,上管實現(xiàn)軟開通)
問題10:什么樣的變壓器才算是最完美適用的?變壓器決定了什么,影響了什么?
設(shè)計變壓器是各種拓?fù)涞暮诵狞c之一,變壓器設(shè)計的好壞,影響電源的方方面面,有的無法工作,有的效率不高,有的EMC難做,有的溫升高,有的極限情況會飽和,有的安規(guī)過不了,需要綜合各方面的因素來設(shè)計變壓器。
設(shè)計變壓器從哪里入手呢?一般來說根據(jù)功率來選擇磁芯大小,有經(jīng)驗的可參考自己設(shè)計過的,沒經(jīng)驗的只能按照AP算法去算,當(dāng)然還要留有一定的余量,最后實驗去檢驗設(shè)計的好壞。
一般小功率反激推薦的用的比較多EE型,EF型,EI型,ER型,中大功率PQ的用的比較多,這里面也有每個人的習(xí)慣以及不同公司的平臺差異,功率很大的,沒有適合的磁芯,可以二個變壓器原邊串副邊并的方式來做。
不同拓?fù)鋵ψ儔浩鞯囊笠膊灰粯?,比如反激,需要考慮的是需要工作在什么模式下,感量如何調(diào)節(jié)適中。尤其是多路輸出一定要注意負(fù)載調(diào)整率滿足需求, 耦合的效果要好,比如采用并繞,均勻繞制,以及副邊匝數(shù)盡可能增多。MOS管耐壓決定匝比,怎么選取合適的占空比,選取多大的Bmax(一般小于 0.35,當(dāng)然0.3更好,即時短路也不會飽和太嚴(yán)重)有的還需要增加屏蔽來整改EMC,原副邊屏蔽一般加2層,外屏蔽1層就好。
大功率變壓器一般更多的是關(guān)注損耗,需要銅損和磁損達(dá)到平衡,還要考慮到風(fēng)冷自然冷,電流密度多大合適,功率稍大(大于150W)的一般電流密度相對取小些(3.5-4.5),功率小的(5.0-7.0)。
還要清楚電源過的什么安規(guī),擋墻是不是足夠,層間膠帶是否設(shè)置合理也是不可以忽視的,一旦要做認(rèn)證去改變壓器也是影響進(jìn)度的。
問題11:我們真的需要到迷戀設(shè)計工具,依賴仿真的地步嗎?
電源的設(shè)計工具主要用在以下幾個方面:
1.選擇磁芯及設(shè)計變壓器;
2.環(huán)路仿真設(shè)計;
3.主功率拓?fù)浞抡妫?/div>
4.模擬電路仿真;
5.熱仿真(針對大功率);
6.計算工具(計算書)等。
對于新人來說,我給的建議少用工具,多計算,自己把握設(shè)計的過程,因為工具是人做的,不同人的設(shè)計習(xí)慣差異,不能用一個固定的設(shè)計模式來設(shè)計不同的電源。
有些仿真可以與設(shè)計相結(jié)合:比如環(huán)路設(shè)計好后是很難直接滿足設(shè)計需求的,仿真可以在試驗前很好驗證,但仿真也不是完全和試驗一樣,至少不會差太遠(yuǎn)。
熟練運用Mathcad和Saber也是必要的,只是很多我們需要弄清原理的層面,把工具只需要當(dāng)做計算器來使用,更快速方便更高效來滿足我們設(shè)計就好,想純依賴工具來設(shè)計電源,無疑是走入極大誤區(qū)。
問題11:我們真的需要到迷戀設(shè)計工具,依賴仿真的地步嗎?
電源的設(shè)計工具主要用在以下幾個方面:
1.選擇磁芯及設(shè)計變壓器
2.環(huán)路仿真設(shè)計
3.主功率拓?fù)浞抡?/div>
4.模擬電路仿真
5.熱仿真(針對大功率)
6.計算工具(計算書)等
對于新人來說,我給的建議少用工具,多計算,自己把握設(shè)計的過程,因為工具是人做的,不同人的設(shè)計習(xí)慣差異,不能用一個固定的設(shè)計模式來設(shè)計不同的電源。
有些仿真可以與設(shè)計相結(jié)合:比如環(huán)路設(shè)計好后是很難直接滿足設(shè)計需求的,仿真可以在試驗前很好驗證,但仿真也不是完全和試驗一樣,至少不會差太遠(yuǎn)。
熟練運用Mathcad和Saber也是必要的,只是很多我們需要弄清原理的層面,把工具只需要當(dāng)做計算器來使用,更快速方便更高效來滿足我們設(shè)計就好,想純依賴工具來設(shè)計電源,無疑是走入極大誤區(qū)。
問題12:評判一塊電源板LAYOUT好壞有哪些地方能一針見血發(fā)現(xiàn)?
什么樣的PCB是一塊好的PCB,至少要滿足以下一個方面:
1.電性能方面干擾小,關(guān)鍵信號線及底線走的合理,各方面性能穩(wěn)定(前提是電路無缺陷);
2.利于EMC,輻射低,環(huán)路走的合理;
3.滿足安規(guī),安規(guī)距離滿足要求;
4.滿足工藝,量產(chǎn)可生產(chǎn)性,以及減小生產(chǎn)成本;
5.美觀,布局規(guī)則有序 (器件不東倒西歪),走線漂亮美觀,不七彎八繞的。
如何才能做到以上幾點,分享我的布板經(jīng)驗:
1.布局前,了解清楚電源的規(guī)格書,電源的規(guī)格,有無特殊要求,以及要過的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)輸入條件是不是準(zhǔn)確,以及風(fēng)道的確認(rèn),輸入輸出端口的確認(rèn),以及主功率流向。工藝路線選取,根據(jù)器件的密度,以及有無特殊器件,選擇相對應(yīng)工藝路線。
2.布局中,注意合理的布局,保證四大環(huán)路盡可能小,提前預(yù)判后續(xù)走線是否好走。變壓器的擺放基本決定了整體的布局,一定要慎重,放到最佳位置。 EMI部分的布局流向清晰,與其它主功率部分有清晰的隔離帶。減少受到主功率開關(guān)器件的干擾。各吸收回路的面積盡可能小,散熱器的長度以及位置要合理,不擋風(fēng)道。
3.走線部分,輸入EMI電路的走線是否滿足安規(guī),原副邊距離,輸入輸出對大地的距離都要滿足安規(guī)。走線的粗細(xì)是否滿足足夠的電流大小,關(guān)鍵信號(例如驅(qū)動信號,采樣信號,地線是否合理),驅(qū)動信號不要干擾敏感信號(高頻信號);采樣信號是否采樣準(zhǔn)確,是否會受到干擾;地線是否拉得合理(有時需要單點接地,有時需要多點接地跟實際需要有關(guān)),主功率地和信號地嚴(yán)格區(qū)分開,原邊芯片地從采樣電阻取,不要從大電解?。ㄓ绕涫遣蓸与娮韬痛箅娊獾鼐嚯x遠(yuǎn)時),VCC的地前級地回大電解,二級電容地接芯片,反饋信號也單點接IC,地單點接IC。散熱器的地必須接主功率地,不能接信號地等等很多的細(xì)節(jié)要求。
問題13:電源的元器件你懂多少?MOS管結(jié)電容多大,對哪些有影響?RDS跟溫度是什么關(guān)系?肖特基反向恢復(fù)電流影響什么?電容的ESR會帶來哪些影響?
電源中的設(shè)計的器件類型很多,主要有半導(dǎo)體器件如:MOS管,三極管,IC,運放,二極管,光耦等;磁性器件:電感,變壓器,磁珠等;電容:Y電容,X電容,瓷片電容,電解電容,貼片電容等;每種器件都有其規(guī)格,極限參數(shù)。
常規(guī)的參數(shù)在我們選型很容易把握,例如選取MOS管,耐壓參數(shù)肯定會考慮,額定電流也會考慮,導(dǎo)通電阻我們會考慮,但還有一些寄生參數(shù)以及一些隨溫 度變化特性的參數(shù)卻很少去注意,或者只有在發(fā)現(xiàn)問題的時候才會去找。導(dǎo)通電阻Rds(on)隨溫度升高其阻值是變大的,設(shè)計MOS管損耗時要考慮到其工作的環(huán)境溫度。結(jié)電容影響到我們的開通損耗,也會影響到EMC。
肖特基二極管耐壓,額定電流一般很好注意,有些參數(shù)例如導(dǎo)通壓降在溫度升高時會減小,反向恢復(fù)時間短,不過漏電流大(尤其是考慮到高溫時漏電流影響就更大了),寄生電感會引起關(guān)斷尖峰很高。
電容一個重要參數(shù)ESR,在計算紋波時通常會考慮,ESR一般與C的關(guān)聯(lián)是很大的,不過不同廠家的品質(zhì)因素影響也是很巨大,一定要具體分清楚。
一般估算公司可參考:ESR=10/(C的0.73次方),電容在高溫時壽命會縮短,低溫時容量會減小,漏電流也會增加等等;
當(dāng)然器件在特殊情形表現(xiàn)出來的特性差異是值得我們思考的問題,請大家多多思量,對于我們解決特殊情況下的問題非常有幫助。
問題14:你對磁性材料了解多少,磁環(huán)和磁芯有哪些差異?低磁環(huán)和高磁環(huán)用在什么情況?
磁性器件對開關(guān)電源的重要性不言而喻,可以說是電源的心臟部位。 磁性材料的種類也繁多,常用來做變壓器的一般是鐵氧體材料,主要是價格便宜,開關(guān)頻率最大能做到1000K,夠一般情況下使用了。鐵氧體磁芯既可以做主變壓器也可以做電感,如PFC電感(一般鐵硅鋁材質(zhì)居多,性價比高),儲能電感也可以。當(dāng)然在要求高的情況下,尤其是大功率一般用磁環(huán),主要是感量可以做大,不易飽和,相對鐵氧體磁芯來說,不過缺點是價格貴,尤其是大電流,繞制工藝較困難。磁環(huán)也分高U值和低U值,主要也是磁環(huán)的材料不同照成,高U環(huán)磁環(huán)外觀是綠色,一般EMI電路的共模電感選用,感量會相對較大濾低頻,顏色偏灰的是低U環(huán),感量很低,濾高頻。一般為了EMC都是搭配使用效果一般都比較好!
問題15:電源損耗是怎么分布的?MOS管損耗?變壓器損耗?變壓器除了直流損耗,還有交流損耗怎么算的?
電源損耗一般集中在以下一些方面:
1.MOS管的開通損耗及導(dǎo)通損耗;
2.變壓器的銅損和鐵損;
3.副邊整流管的損耗;
4.橋式整流的損耗。
5.采樣電阻損耗;
6.吸收電路的損耗;
7.其它損耗:PFC電感損耗,LLC的諧振電感損耗,同步整流的MOS管損耗等。
針對這些損耗,適當(dāng)?shù)臏p小可以提升效率。1.針對MOS管可選用開關(guān)速度快的,導(dǎo)通電阻低的,電路上課采用軟開關(guān)。2.針對變壓器:選擇合適大小的磁芯,磁芯太小損耗會大,很難做到銅損和鐵損平衡。尤其是銅損不僅有直流損耗還有交流損耗,交流損耗一般比直流損耗還大2倍,因為銅線在高頻下的交流阻抗比直流阻抗大的多,計算時一定要充分估算進(jìn)去。
問題16:電源中的熱設(shè)計,散熱器是怎么選擇的?散熱器設(shè)計需要考慮什么?
散熱器的設(shè)計是開關(guān)電源的一個重點,散熱器主要是針對我們的發(fā)熱器件溫升過高,需要采用散熱器來降低熱阻來達(dá)到降低溫升的作用!
主要發(fā)熱器件:整流橋,MOS管,整流二極管,變壓器,電感等等。
散熱器的大小選擇一般根據(jù)損耗的功率,需要的溫升來計算熱阻,根據(jù)熱阻來選擇相應(yīng)面積的散熱器 。
當(dāng)然也需要一些輔助的方式,比如在器件和散熱片間涂散熱膏,有會有些效果。比較小的空間可采用型材散熱,體積小,散熱面積大。
特殊器件有特殊的處理:如變壓器可將變壓器底下的PCB板挖空散熱,也可以在變壓器上用導(dǎo)熱泥貼散熱片的方式。電感也可以加銅環(huán)散熱等等。
問題17:LLC的輸出濾波電容怎么決定的?受哪些因素影響?
輸出濾波電容對輸出紋波至關(guān)重要,選擇合適的濾波電容需要從成本及紋波需求考慮,當(dāng)然對每種拓?fù)錇V波電容的選取都是按照輸出紋波需求,紋波電流所對 應(yīng)的ESR值來選取對應(yīng)的電容,當(dāng)然電容的容量與ESR的關(guān)系跟電容的品質(zhì)也有著很重要的關(guān)系,之前已經(jīng)討論過其關(guān)系式。紋波電壓時我們的需求,一般按照 50mv的需求的話,設(shè)計留有余量一般選擇10mv。(考慮到PCB板濾波效果,電容低溫容值降低),紋波電流計算式如下:
問題18:移相全橋的驅(qū)動是什么實現(xiàn)的?何為移相?移相帶來什么?
移相全橋目前在中大功率使用中,也是用的很火,受歡迎程度僅次于LLC諧振半橋。之前已經(jīng)比較過不同拓?fù)涞氖褂们闆r,這里就專門介紹下移相全橋的特點。
移相全橋特點一:驅(qū)動比較復(fù)雜,導(dǎo)致控制電路復(fù)雜,成本很高,原因是移相全橋一般有4個MOS,對驅(qū)動能力要求很高,一般IC很難做到,需要對驅(qū)動能力通過外置MOS管放大使用,又為了加強可靠性一般采用隔離變壓器來驅(qū)動MOS管。
移相全橋特點二:移相,為什么要移相,移相帶來什么,跟普通全橋有什么區(qū)別。移相針對的是同一組的MOS管,讓2個MOS管依次導(dǎo)通,可以降低開關(guān) 損耗。超前臂橋?qū)崿F(xiàn)ZVS同時,副邊處于續(xù)流,原邊電流被二極管分擔(dān),MOS管電流也很小,近似零電流導(dǎo)通,滯后臂橋可以零電壓導(dǎo)通。
移相全橋特點三:工作過程復(fù)雜,二個輸出功率狀態(tài)(靠原邊提供能量),二個續(xù)流狀態(tài)(靠副邊電感及電容提供供能量),四個死區(qū)(來分別實現(xiàn)每個MOS管軟開通I)
只是為了給新手了解移相全橋,作為開關(guān)電源比較重要的拓?fù)湟徊糠?,它的重點和難點在哪里。
問題19:大功率若追求效率,無橋PFC是怎么實現(xiàn)的?原理是什么?
很多人都聽說過無橋PFC,不過真正使用起來并不很常見,原因是無橋PFC相比普通有橋PFC效率上固然有提升,一般也就在1-2%,若不是追求高 效,一般都不會使用,成本太高。根據(jù)無橋PFC的特點,其實整流橋并沒有真正省去不用,只是當(dāng)做交流輸入正負(fù)半軸的隔離使用,簡單來說相當(dāng)于普通二個 PFC,交流正負(fù)半軸各一個,相應(yīng)的PFC電感也會增加一個,MOS管也會增加一個,驅(qū)動IC也會復(fù)雜一些,對于大功率為了做高效,檢測電阻用變壓器繞組來做,可以減小損耗。之前接觸過一個960W用無橋PFC+LLC效率達(dá)到96.5%,不過最終因為客戶要求輸入電壓交流和直流都能滿足,這時候無橋PFC就不能在直流下發(fā)揮很好的作用就否決了。
問題20:電力電源中為什么用到三相電?三相三電平是怎么實現(xiàn),三電平帶來了什么?
三相電在電力電源中使用比較多,一般在大功率1KW以上或者上萬W的場合。三相電一般采用三相四線,其中一根是零線,四根線相當(dāng)于能夠傳輸普通二相電三倍的功率,傳輸功率更大是其最大優(yōu)勢;其次三相電易于產(chǎn)生,目前最常見的三相異步電機,能簡單方便產(chǎn)生。三相三電平是怎么回事呢,因為三相電不能直接給某些用電設(shè)備供電,需要轉(zhuǎn)變成普通的二相電。一般過程,采用三相PFC轉(zhuǎn)換為直流電,直流電然后逆變成二相交流電。這里面就牽涉到三電平技術(shù),三相電PFC整流出來不是普通正負(fù)DC,而是三電平,也就是正DC,零,負(fù)DC。從這里也可以看出來采用三電平器件的應(yīng)力降低,諧波含量低,開關(guān)管損耗也低,這樣在高壓大功率場合優(yōu)勢就非常突出了。
問題21:電源中有很多保護(hù)電路,你最多能說幾種保護(hù)?怎么去實現(xiàn)?
電源的可靠性離不開保護(hù)電路,通常有哪些保護(hù)電路呢?
1.輸入欠壓過壓很常用,對交流信號采樣。
2.輸出過壓保護(hù),一旦電源開關(guān)能鎖機對電源可靠性也有幫助。
3.過流保護(hù),有的是采用恒流做過流,有的采用限功率來做過流,當(dāng)然也可以鎖機來做,目的一個可靠性,方法很多種。最可靠的保護(hù)一定是鎖死而不是打嗝!
4.過溫保護(hù),采用熱敏對變壓器或者是環(huán)境溫度等方式檢測,來反饋給到IC鎖機或者打嗝。
5.短路保護(hù),短路可以打嗝,同樣也可以鎖機。
這些是一般電源常用的,有的可以說是必備的保護(hù)電路。所以看好規(guī)格書選擇合適的IC來做保護(hù)功能更方便的保護(hù)電路。我用過一款LD7522做反激,這些功能就能很好,可以簡單全部的做出來。
問題22:搞電源不懂市場?你搞的電源何去何從?開發(fā)出了沒用?替老板賺到錢才有用。
終于到了最后一個問題,電源市場問題一般工程師可能關(guān)注的少,注重研發(fā)是錯誤。項目成功不是做出來,而是賺到少的錢。
舉個例子:你一年做了三個項目累死累活,賺了100萬,另一個人一年就做了一個項目,比做三個項目輕松多了,一年賺了1000萬,老板喜歡哪個?
有的人說項目又不是我們選擇,怎么知道賺不賺錢,但是賺錢項目的特點我們要熟悉啊,什么樣的電源市場上比較火啊,你清楚嗎?按照自己公司現(xiàn)有的模式來開發(fā),有沒有和大公司的設(shè)計差距啊。不是說項目能不能做出來,而是能不能最優(yōu)的做出來,其實站在研發(fā)角度也就是如何選擇最優(yōu)拓?fù)洌鍪》桨浮?/div>
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