你真的理解开关电源吗？

从电网得到的互换电或由电池取得的直流电是随环境温度、韶光和负载所变革的，它们不能直接成为电子设备所需的内部电源。

电子设备由于要完成许多高等的功能，对其供电电源的精度随环境的变革，动态相应能力，还有很多其他的指标都有非常高的哀求。
将电网或电池的一次电能转换为符合电子设备哀求的二次电能，这样的变换设备便是我们这里要讲的电源。

随着片状电子元件、表面安装技能及大规模集成电路的发展，电子产品越来越小型化、轻型化，如何缩小电源的体积减轻重量，提高电源的转换效率，增强对电网电压的适应性，是人们致力于研究的重点。

一个比较好的办理方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器，采取脉冲调制技能的直流--直流变换器型稳压电源，即我们立时就要讲到的开关电源。

开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点，目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙翱翔器、发射机、电子打算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛运用。

开关电源按变换办法可分为以下四大类：

1、AC/DC 开关电源

2、DC/DC 开关电源

3、DC/AC 逆变器

4、AC/AC 变频器

目前只将前面两类称为开关电源，将后面两类分别称为逆变器和变频器。

开关电源按运用办法可分为以下三大类：

1、外置电源

与设备分开放置的电源模块或电源系统，如：

---通信用一次电源模块和系统

---电力操作电源模块和系统

---手机电池充电器

---条记本电脑的Adapter

---各种手提设备、便携设备的电池充电器等等

2、内置电源

放在设备内部的电源模块或电源系统，如：

---打算机内部的SilverBox和VRM

---家电（如：普通电视机、等离子电视机、液晶电视机）内部的供电电源

---工业掌握设备内部的电源

---仪器中利用的电源

---通信设备内部的电源模块和系统

---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等

3、板上电源

放在设备内单板上的电源模块，如：

---标准砖类电源（全砖、半砖、1/4砖、1/8砖）

---非隔离POL（Point of Load 负载点）变换器

---VRM（Voltage regulator module电压调节模块）和VRD（Voltage regulator down）

---小功率SMD电源

---SIP和DIP电源等等

开拓一个开关电源产品所须要的基本技能：

1、认识组成开关电源的所有元器件

2、节制各种元器件的电气性能和电路符号

3、会自己制作各种磁芯元件

4、会精确装置电源中的各个部分

5、理解电源各项指标的意义并节制如何测试的方法

6、会利用仪器对装置后的电源进行精确的调试，优化和折中

7、会对得到的实验结果进行剖析，并进行总结

8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人互换

开拓一个开关电源产品所须要的专业理论知识：

1、有源PFC的拓扑剖析，掌握与设计

2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态剖析

3、开关电源的功率级参数设计

4、开关电源的掌握与动态剖析

5、开关电源的小旗子暗记剖析与设计

6、开关电源的大旗子暗记剖析与设计

7、开关电源的EMI剖析与设计

8、开关电源的热剖析与设计

9、开关电源的容差剖析与设计

10、开关电源的各种保护技能

11、开关电源的同步整流技能

12、开关电源的模块均流掌握技能

有些技能很成熟了，只要查表或者利用现成电路或专用芯片就可以做好。
EMI比较困难，由于元件特性会变革。

开关电源变压器设计

开关电源变压器是开关电源中的核心部件，浸染有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。
由于开关变压器的事情频率很高，因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小，同时变压器的分布参数亦不能忽略。
设计时须要考虑磁芯材料选择，磁芯与线圈的构造，绕制工艺等。

开关电源变压器事情于高频状态，分布参数有漏感、分布电容和电流趋肤效应。
一样平常根据开关电源电路设计的哀求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈构造设计中实现，而趋肤效应则作为选择导线规格的条件之一。

开关电源变压器的事情状态与开关型功率变换器的电路形式有关，一样平常根据功率大小，利用哀求，采取不同形式的功率变换器。
不同的电路形式，开关电源变压器事情状态也不同，对开关电源变压器也提出了不同的设计哀求。

变换器形式有：双极性（推挽式、全桥式、半桥式），单端正激式，单端反激式等。

开关电源变压器中利用的是软磁材料。
比如：铁氧体材料。
铁氧体材料很随意马虎加工成各种形状，可根据开关变压器的电路类型、利用哀求、功率等级、经济指标等选用得当的磁芯形状。
磁芯型号紧张有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。
每种型号又有很多尺寸规格可以选择。

开关电源变压器参数打算：漏感打算、分布电容打算、穿透深度（导线选择）、互换电阻打算、电流有效值。

开关电源变压器设计

设计内容：

1、磁芯规格

2、匝数与导线规格

3、损耗与温升

4、导线构造：多股线或扁平线

5、绕组构造：多层或分段饶制

6、端空设计：按绝缘电位设计端空

设计条件：

1、电路形式：给出变换器的形式，输入输出电路及所用元器件

2、事情频率或周期

3、变换器输入最高、最低电压

4、输出电压和电流

5、开关管最大导通韶光

6、开关管导通电压降及整流二极管正向电压降

7、隔离电位

8、哀求的漏感或分布电容

9、温升哀求

10、磁芯形状

11、事情环境条件

设计参数的确定：

1、磁感应强度B和电流密度J

磁感应强度B、变压器铜耗Pm、电流密度J

2、变压器和线圈的构造参数

铜线占空系数、均匀匝长、变压器表面积、磁芯构造常数

铁氧体材料的开关电源变压器采取标准化设计，通过查表的方法简化事情量。

表格包含了如下信息：

变换器类型

事情频率

变压器温升

磁芯规格

技能指标

直流功率、增量磁感、剩余磁感、电流密度、电压调度率、电感系数

损耗指标

磁芯损耗、线圈铜耗、散热面积、单位损耗、效率

构造参数

构造常数、均匀匝长、等效截面、磁路长度、气隙厚度、磁芯体积

线圈参数

低级每匝伏数、次级每匝伏数、绕线宽度、绕线厚度、占空系数

开关电源设计优化

当我们设计完成一个开关电源往后，只是大致实现了其功能和指标，还须要进行各种优化。

1、功率级参数的优化

在选定功率级拓扑后，可利用前面的知识和稳态事情点选择对功率参数进行优化，使得：

---开关功率器件的损耗最小

---功率变压器和滤波器电感，滤波电容等的体积最小

---电源整机的功率密度最高

---功率级的Layout最合理等等

在这些优化中，最主要的是功率变压器的优化，其变比，其绕法都会直接影响其他功率元器件的选择和全体功率级的效率及功率密度。
合理地选择功率开关器件和它们的驱动电路及接管电路，对功率级的性能也很主要。

2、环路参数的优化

在选定功率级拓扑和掌握策略后，可利用前面的知识在功率级参数优化的根本上，对环路参数进行优化，使得：

---只管即便减小闭环电压音频隔离度，从而减小PFC滤波电容

---只管即便减小闭环输出阻抗，从而减小DC输出滤波电容

在环路优化中，最主要的是补偿器参数，调制器参数（如外部斜波补偿含量）和光耦电路参数的优化。
个中，电源整机的PCB Layout对环路的影响非常大，只有在好的PCB Layout下面，通过环路各部分参数的优化，才能使电源环增益的带宽尽可能大，从而实现更好的动态性能和更高的功率密度。

3、赞助电源参数的优化

在采取绕组供电的开关电源产品中，必须对赞助电源的质量进行优化，使得：

---赞助电源对开关电源稳态性能的影响最小

---赞助电源对开关电源动态性能的影响最小

---赞助电源不会影响开关电源整机的可靠性

采取变压器绕组或电感绕组的赞助电源，其输出电压的质量一样平常不太好，通过对赞助电源的优化，要担保自供电后的电源整机性能变革最小，可靠性没有问题。

4、其他优化

---电源内各种保护电路的优化

---EMI滤波器电路的优化

---电源内部热心况的优化

---电源其他功能电路（如：均流、同步、热插拔、远端补偿等等）的优化

---PCB Layout的优化等等

开关电源设计折中

设计开关电源是个充满抵牾的过程，鱼和熊掌不可得兼，须要平衡折中各种指标，这个火候的节制和拿捏须要大量履历。
前面谈了优化，现在谈折中，有时反而须要减少优化程度，真是奇妙啊！

1、稳态性能与动态性能的折中

很多功率级拓扑，其稳态性能与动态性能常日难以兼顾，稳态性能好，动态性能就差，动态性能好，稳态性能就差。
这种例子非常多，以是选择拓扑时，一定要根据哀求和运用处所来合理选择。

纵然同一个拓扑，其功率级参数设计时，也要考虑稳态性能和动态性能的折中。
如：输出滤波器电感的设计，对效率而言，希望其越大越好，但对动态性能而言，则希望其小一点好，以是设计时须要折中。

2、功率密度与可靠性的折中

很多有更高功率密度的拓扑，实在现时会比较繁芜，而且每每拓扑本身还有可靠性较低的隐患，以是，选择拓扑构造时也要根据可靠性和性能来进行详细折中。
如一些实现软开关的拓扑，一样平常可实现更高的开关频率，具有更高的功率密度，但他们在实现的产品中，可靠性每每较低。

3、小旗子暗记性能与大旗子暗记性能的折中

在一个电源中，有很多性能须要知足，利用不同的掌握策略，不同的补偿电路会得到不同的动态性能。
有些掌握策略或参数对输入真个扰动具有较强的抑制能力，有些则对负载真个扰动具有较强的抑制能力，有的参数对小旗子暗记动态稳定性很好，但在大旗子暗记下，其可能不稳定，有的参数能知足大旗子暗记的哀求，但小旗子暗记下其会变差，因此，要对大小旗子暗记的动态设计进行折中。

4、高低温下的设计折中

在一个电源中，因各种参数都是与其事情时的温度有关，以是必须找出一组参数能在全部环境温度范围内知足所有性能指标，这须要做很多折中。

5、电性能与热性能之间的折中

在一个电源中，电性能（如电应力和EMI性能）与热性能之间的哀求是抵牾的。
为了得到好的EMI和低的电应力，希望功率元器件的回路只管即便小，但这会使得各元器件之间的热影响更厉害，各元器件的损耗会更大。
将各功率元器件之间的回路加大，可减小这种热影响，改进热设计，但因寄生参数的增加，会使器件的电应力增加，效率变低，EMI性能变坏，以是，电源中热与电两个设计是非常须要折中的。

6、关键部件的折中

在开关电源中，有一些关键部件，在设计时须要折中。
如：功率变压器的设计，对稳态效率性能而言，在变比等已经最优化后，希望其漏感最小，但在实现漏感最小的同时，每每会增加绕组之间的分布电容，这常日会增加共模EMI滋扰和降落安全性。

其余，如驱动能力的折中。
为了减小功率开关器件（MOSFET）的开关损耗，希望其开关过程只管即便短，这可通过减小门级驱动电阻来实现，但在开关速率提高的同时，每每会增加电源的共模EMI，使得EMI特性变差。

7、其他折中

做好一个开关电源，还有很多其他折中要做，总之，由于开关电源是一个在一定边界（由输入电压、负载电流和环境温度组成的长方体）之内，知足规格书哀求的功率电子产品，既有功率处理和信息处理，又有热处理，以是，为了做好这样的产品，必须要做很多很多的折中。
这哀求开拓职员理解如何在折中的根本上优化，在优化的根本上折中，使开拓的电源产品达到最佳的性价比。