經(jīng)典指南：你真的了解開關(guān)電源嗎？

長(zhǎng)、等效截面、磁路長(zhǎng)度、氣隙厚度、磁芯體積

　　線圈參數(shù)

　　初級(jí)每匝伏數(shù)、次級(jí)每匝伏數(shù)、繞線寬度、繞線厚度、占空系數(shù)

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)舉例

　　設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的多輸出電源：

　　穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)格：

　　1、輸入電壓范圍：85 ~ 264 VAC

　　2、輸出#1：5V/50A

　　輸出#2：3.3V/40A 滿足：I1 + I2 《= 55A

　　輸出#3：12V/12A

　　輸出#4：-12V/4A

　　3、輸出電壓紋波：

　　4、模塊滿載效率：≥70%

　　5、輸入功率因數(shù)：0.99TYP

　　6、電壓調(diào)整率：≤+-1%

　　7、負(fù)載調(diào)整率：輸出#1 ≤+-0.5%，其它輸出 ≤+-3%

　　8、模塊幾何尺寸：長(zhǎng) * 寬 * 高

　　9、模塊環(huán)境溫度：-20 ~ 50攝氏度

　　10、溫度系數(shù)：≤0.02%

　　11、輸出保持時(shí)間：16ms

　　設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)的功能：

　　1、全范圍內(nèi)的正常開關(guān)機(jī)

　　2、全范圍內(nèi)的輸出穩(wěn)壓且滿足各項(xiàng)電性能指標(biāo)

　　3、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書要求的自動(dòng)保護(hù)

　　4、輸出#1 ~ 輸出#3的輸出并聯(lián)均流

　　5、輸出#1和輸出#2的遠(yuǎn)端補(bǔ)償

　　6、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書的安全要求

　　7、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書的EMI要求

　　8、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書的熱插拔要求

　　9、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書的MTBF要求

　　10、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書的成本要求

　　11、實(shí)現(xiàn)規(guī)格書的通斷邏輯功能要求

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)完成一個(gè)開關(guān)電源以后，只是大致實(shí)現(xiàn)了其功能和指標(biāo)，還需要進(jìn)行各種優(yōu)化。

　　1、功率級(jí)參數(shù)的優(yōu)化

　　在選定功率級(jí)拓?fù)浜螅衫们懊娴闹R(shí)和穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)選擇對(duì)功率參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得：

　　---開關(guān)功率器件的損耗最小

　　---功率變壓器和濾波器電感，濾波電容等的體積最小

　　---電源整機(jī)的功率密度最高

　　---功率級(jí)的Layout最合理等等

　　在這些優(yōu)化中，最重要的是功率變壓器的優(yōu)化，其變比，其繞法都會(huì)直接影響其他功率元器件的選擇和整個(gè)功率級(jí)的效率及功率密度。合理地選擇功率開關(guān)器件和它們的驅(qū)動(dòng)電路及吸收電路，對(duì)功率級(jí)的性能也很重要。

　　2、環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化

　　在選定功率級(jí)拓?fù)浜涂刂撇呗院?，可利用前面的知識(shí)在功率級(jí)參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得：

　　---盡量減小閉環(huán)電壓音頻隔離度，從而減小PFC濾波電容

　　---盡量減小閉環(huán)輸出阻抗，從而減小DC輸出濾波電容

　　在環(huán)路優(yōu)化中，最重要的是補(bǔ)償器參數(shù)，調(diào)制器參數(shù)（如外部斜波補(bǔ)償含量）和光耦電路參數(shù)的優(yōu)化。其中，電源整機(jī)的PCB Layout對(duì)環(huán)路的影響非常大，只有在好的PCB Layout下面，通過環(huán)路各部分參數(shù)的優(yōu)化，才能使電源環(huán)增益的帶寬盡可能大，從而實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)性能和更高的功率密度。

　　3、輔助電源參數(shù)的優(yōu)化

　　在采用繞組供電的開關(guān)電源產(chǎn)品中，必須對(duì)輔助電源的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，使得：

　　---輔助電源對(duì)開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)性能的影響最小

　　---輔助電源對(duì)開關(guān)電源動(dòng)態(tài)性能的影響最小

　　---輔助電源不會(huì)影響開關(guān)電源整機(jī)的可靠性

　　采用變壓器繞組或電感繞組的輔助電源，其輸出電壓的質(zhì)量一般不太好，通過對(duì)輔助電源的優(yōu)化，要保證自供電后的電源整機(jī)性能變化最小，可靠性沒有問題。

　　4、其他優(yōu)化

　　---電源內(nèi)各種保護(hù)電路的優(yōu)化

　　---EMI濾波器電路的優(yōu)化

　　---電源內(nèi)部熱環(huán)境的優(yōu)化

　　---電源其他功能電路（如：均流、同步、熱插拔、遠(yuǎn)端補(bǔ)償?shù)鹊龋┑膬?yōu)化

　　---PCB Layout的優(yōu)化等等

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)折中

　　設(shè)計(jì)開關(guān)電源是個(gè)充滿矛盾的過程，魚和熊掌不可得兼，需要平衡折中各種指標(biāo)，這個(gè)火候的掌握和拿捏需要大量經(jīng)驗(yàn)。前面談了優(yōu)化，現(xiàn)在談?wù)壑?，有時(shí)反而需要減少優(yōu)化程度，真是奇妙?。?/p>

　　1、穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能的折中

　　很多功率級(jí)拓?fù)洌浞€(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能通常難以兼顧，穩(wěn)態(tài)性能好，動(dòng)態(tài)性能就差，動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)性能就差。這種例子非常多，所以選擇拓?fù)鋾r(shí)，一定要根據(jù)要求和應(yīng)用場(chǎng)合來合理選擇。

　　即使同一個(gè)拓?fù)洌涔β始?jí)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的折中。如：輸出濾波器電感的設(shè)計(jì)，對(duì)效率而言，希望其越大越好，但對(duì)動(dòng)態(tài)性能而言，則希望其小一點(diǎn)好，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要折中。

　　2、功率密度與可靠性的折中

　　很多有更高功率密度的拓?fù)?，其?shí)現(xiàn)時(shí)會(huì)比較復(fù)雜，而且往往拓?fù)浔旧磉€有可靠性較低的隱患，所以，選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)也要根據(jù)可靠性和性能來進(jìn)行具體折中。如一些實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的拓?fù)?，一般可?shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，具有更高的功率密度，但他們?cè)趯?shí)現(xiàn)的產(chǎn)品中，可靠性往往較低。

　　3、小信號(hào)性能與大信號(hào)性能的折中

　　在一個(gè)電源中，有很多性能需要滿足，利用不同的控制策略，不同的補(bǔ)償電路會(huì)得到不同的動(dòng)態(tài)性能。有些控制策略或參數(shù)對(duì)輸入端的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力，有些則對(duì)負(fù)載端的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抑制能力，有的參數(shù)對(duì)小信號(hào)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性很好，但在大信號(hào)下，其可能不穩(wěn)定，有的參數(shù)能滿足大信號(hào)的要求，但小信號(hào)下其會(huì)變差，因此，要對(duì)大小信號(hào)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行折中。

　　4、高低溫下的設(shè)計(jì)折中

　　在一個(gè)電源中，因各種參數(shù)都是與其工作時(shí)的溫度有關(guān)，所以必須找出一組參數(shù)能在全部環(huán)境溫度范圍內(nèi)滿足所有性能指標(biāo)，這需要做很多折中。

　　5、電性能與熱性能之間的折中

　　在一個(gè)電源中，電性能（如電應(yīng)力和EMI性能）與熱性能之間的要求是矛盾的。為了獲得好的EMI和低的電應(yīng)力，希望功率元器件的回路盡量小，但這會(huì)使得各元器件之間的熱影響更厲害，各元器件的損耗會(huì)更大。將各功率元器件之間的回路加大，可減小這種熱影響，改善熱設(shè)計(jì)，但因寄生參數(shù)的增加，會(huì)使器件的電應(yīng)力增加，效率變低，EMI性能變壞，所以，電源中熱與電兩個(gè)設(shè)計(jì)是非常需要折中的。

　　6、關(guān)鍵部件的折中

　　在開關(guān)電源中，有一些關(guān)鍵部件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要折中。如：功率變壓器的設(shè)計(jì)，對(duì)穩(wěn)態(tài)效率性能而言，在變比等已經(jīng)最優(yōu)化后，希望其漏感最小，但在實(shí)現(xiàn)漏感最小的同時(shí)，往往會(huì)增加繞組之間的分布電容，這通常會(huì)增加共模EMI干擾和降低安全性。

　　另外，如驅(qū)動(dòng)能力的折中。為了減小功率開關(guān)器件（MOSFET）的開關(guān)損耗，希望其開關(guān)過程盡量短，這可通過減小門級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻來實(shí)現(xiàn)，但在開關(guān)速度提高的同時(shí)，往往會(huì)增加電源的共模EMI，使得EMI特性變差。

　　7、其他折中

　　做好一個(gè)開關(guān)電源，還有很多其他折中要做，總之，因?yàn)殚_關(guān)電源是一個(gè)在一定邊界（由輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度組成的長(zhǎng)方體）之內(nèi)，滿足規(guī)格書要求的功率電子產(chǎn)品，既有功率處理和信息處理，又有熱處理，所以，為了做好這樣的產(chǎn)品，必須要做很多很多的折中。這要求開發(fā)人員了解如何在折中的基礎(chǔ)上優(yōu)化，在優(yōu)化的基礎(chǔ)上折中，使開發(fā)的電源產(chǎn)品達(dá)到最佳的性價(jià)比。

　　如何做好開關(guān)電源設(shè)計(jì)

　　目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)電源公司在產(chǎn)品開發(fā)中存在怪圈現(xiàn)象：公司業(yè)務(wù)接了一個(gè)單子，時(shí)間只有一個(gè)月，設(shè)計(jì)人員趕緊開始，草草設(shè)計(jì)一周后搞定PCB，然后安裝調(diào)試，裝完就通電，嘿，輸出有了，一測(cè)試指標(biāo)，一堆不達(dá)標(biāo)，腦子亂亂的，改進(jìn)再調(diào)，解決了一個(gè)問題又冒出一個(gè)，每天加班加點(diǎn)，時(shí)間過得真快，一個(gè)月時(shí)限馬上到了，工作沒完成，請(qǐng)求延期，半年后勉強(qiáng)完成了，累得筋疲力盡，不得喘息，立馬又進(jìn)入下一個(gè)項(xiàng)目循環(huán)。

　　公司由于開發(fā)管理不規(guī)范，沒有任何技術(shù)積累；員工由于開發(fā)工作不專業(yè)，在開發(fā)過程中無任何提高。

　　從工程師個(gè)人角度來說，養(yǎng)成制定個(gè)人工作計(jì)劃，按規(guī)范做設(shè)計(jì)、調(diào)試、總結(jié)的習(xí)慣，是成為資深電源開發(fā)人員所必須具備的工程素質(zhì)。

　　按規(guī)范做設(shè)計(jì)的步驟是：

　　1、仔細(xì)閱讀產(chǎn)品的開發(fā)規(guī)格書

　　2、按規(guī)范繪制產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)總框圖

　　3、用功能結(jié)構(gòu)總框圖描述產(chǎn)品的基本功能實(shí)現(xiàn)

　　4、用功能結(jié)構(gòu)總框圖描述產(chǎn)品的正常開關(guān)機(jī)過程

　　5、用功能結(jié)構(gòu)總框圖描述產(chǎn)品的故障保護(hù)過程

　　6、設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)總框圖中的各個(gè)單元電路并撰寫設(shè)計(jì)總結(jié)

　　7、繪制出一整套設(shè)計(jì)圖紙

　　按規(guī)范調(diào)試的習(xí)慣：

　　開發(fā)人員要能夠養(yǎng)成按規(guī)范開發(fā)操作步驟開發(fā)產(chǎn)品的習(xí)慣，那就不會(huì)出現(xiàn)很多不必要的反復(fù)，就可避免出現(xiàn)前面介紹的那種怪圈，就可以將產(chǎn)品開發(fā)工作做得又好又快，同時(shí)開發(fā)人員還能在很短的時(shí)間內(nèi)提升自己的專業(yè)水平，過不了多久，就可以從一個(gè)新手上升為資深電源工程師。詳細(xì)的電源開發(fā)操作規(guī)范留到課上再說。

　　按規(guī)范做總結(jié)的習(xí)慣：

　　在按規(guī)范進(jìn)行開發(fā)時(shí)，每做一個(gè)實(shí)驗(yàn)后，都要做一份實(shí)驗(yàn)總結(jié)，產(chǎn)品開發(fā)完成后，還要將整個(gè)開發(fā)工作進(jìn)行總結(jié)。作為開發(fā)人員，總結(jié)是保證自己技術(shù)水平迅速提高的最重要的手段，所以，你想早點(diǎn)成為資深工程師，你就一定要認(rèn)認(rèn)真真地做好每一份總結(jié)。