開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

　　首先從開關(guān)電源的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝開始描述吧，先說(shuō)說(shuō)印制板的設(shè)計(jì)。開關(guān)電源工作在高頻率，高脈沖狀態(tài)，屬于模擬電路中的一個(gè)比較特殊種類。布板時(shí)須遵循高頻電路布線原則。

　　1、布局：脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關(guān)管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關(guān)管返回電容負(fù)。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接近開關(guān)電源輸入端，輸入線應(yīng)避免與其他電路平行，應(yīng)避開。 Y電容應(yīng)放置在機(jī)殼接地端子或FG連接端。共摸電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。如不好處理可在共摸電感與變壓器間加一屏蔽，以上幾項(xiàng)對(duì)開關(guān)電源的EMC性能影響較大。

　　輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應(yīng)靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果應(yīng)優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解電容保持一定距離，以延長(zhǎng)整機(jī)壽命，電解電容是開關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進(jìn)風(fēng)口。

　　控制部分要注意：高阻抗弱信號(hào)電路連線要盡量短如取樣反饋環(huán)路，在處理時(shí)要盡量避免其受干擾、電流取樣信號(hào)電路，特別是電流控制型電路，處理不好易出現(xiàn)一些想不到的意外，其中有一些技巧，現(xiàn)以3843電路舉例見圖（1）圖一效果要好于圖二，圖二在滿載時(shí)用示波器觀測(cè)電流波形上明顯疊加尖刺，由于干擾限流點(diǎn)比設(shè)計(jì)值偏低，圖一則沒有這種現(xiàn)象、還有開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電阻要靠近開關(guān)管，可提高開關(guān)管工作可靠性，這和功率 MOSFET高直流阻抗電壓驅(qū)動(dòng)特性有關(guān)。

　　3843電路例圖

　　下面談一談?dòng)≈瓢宀季€的一些原則。

　　線間距：隨著印制線路板制造工藝的不斷完善和提高，一般加工廠制造出線間距等于甚至小于0.1mm已經(jīng)不存在什么問(wèn)題，完全能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合?？紤]到開關(guān)電源所采用的元器件及生產(chǎn)工藝，一般雙面板最小線間距設(shè)為0.3mm，單面板最小線間距設(shè)為0.5mm，焊盤與焊盤、焊盤與過(guò)孔或過(guò)孔與過(guò)孔，最小間距設(shè)為0.5mm，可避免在焊接操作過(guò)程中出現(xiàn)“橋接”現(xiàn)象。，這樣大多數(shù)制板廠都能夠很輕松滿足生產(chǎn)要求，并可以把成品率控制得非常高，亦可實(shí)現(xiàn)合理的布線密度及有一個(gè)較經(jīng)濟(jì)的成本。

　　最小線間距只適合信號(hào)控制電路和電壓低于63V的低壓電路，當(dāng)線間電壓大于該值時(shí)一般可按照500V/1mm經(jīng)驗(yàn)值取線間距。

　　鑒于有一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線間距有較明確的規(guī)定，則要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如交流入口端至熔斷器端連線。某些電源對(duì)體積要求很高，如模塊電源。一般變壓器輸入側(cè)線間距為1mm實(shí)踐證明是可行的。對(duì)交流輸入，（隔離）直流輸出的電源產(chǎn)品，比較嚴(yán)格的規(guī)定為安全間距要大于等于6mm，當(dāng)然這由相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行方法確定。一般安全間距可由反饋光耦兩側(cè)距離作為參考，原則大于等于這個(gè)距離。也可在光耦下面印制板上開槽，使爬電距離加大以滿足絕緣要求。一般開關(guān)電源交流輸入側(cè)走線或板上元件距非絕緣的外殼、散熱器間距要大于5mm，輸出側(cè)走線或器件距外殼或散熱器間距要大于2mm，或嚴(yán)格按照安全規(guī)范執(zhí)行。

　　常用方法：上文提到的線路板開槽的方法適用于一些間距不夠的場(chǎng)合，順便提一下，該法也常用來(lái)作為保護(hù)放電間隙，常見于電視機(jī)顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模塊電源中得到了廣泛的應(yīng)用，在灌封的條件下可獲得很好的效果。

　　方法二：墊絕緣紙，可采用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣材料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊在線路板于金屬機(jī)殼間，這種材料有機(jī)械強(qiáng)度高，有有一定抗潮濕的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高溫的特性在模塊電源中得到廣泛的應(yīng)用。在元件和周圍導(dǎo)體間也可墊絕緣薄膜來(lái)提高絕緣抗電性能。

　　注意：某些器件絕緣被覆套不能用來(lái)作為絕緣介質(zhì)而減小安全間距，如電解電容的外皮，在高溫條件下，該外皮有可能受熱收縮。大電解防爆槽前端要留出空間，以確保電解電容在非常情況時(shí)能無(wú)阻礙地瀉壓。

　　下面談一談?dòng)≈瓢邈~皮走線的一些事項(xiàng)：

　　走線電流密度：現(xiàn)在多數(shù)電子線路采用絕緣板縛銅構(gòu)成。常用線路板銅皮厚度為35μm，走線可按照1A/mm經(jīng)驗(yàn)值取電流密度值，具體計(jì)算可參見教科書。為保證走線機(jī)械強(qiáng)度原則線寬應(yīng)大于或等于0.3mm（其他非電源線路板可能最小線寬會(huì)小一些）。銅皮厚度為70μm 線路板也常見于開關(guān)電源，那么電流密度可更高些。

　　補(bǔ)充一點(diǎn)，現(xiàn)常用線路板設(shè)計(jì)工具軟件一般都有設(shè)計(jì)規(guī)范項(xiàng)，如線寬、線間距，旱盤過(guò)孔尺寸等參數(shù)都可以進(jìn)行設(shè)定。在設(shè)計(jì)線路板時(shí)，設(shè)計(jì)軟件可自動(dòng)按照規(guī)范執(zhí)行，可節(jié)省許多時(shí)間，減少部分工作量，降低出錯(cuò)率。

　　一般對(duì)可靠性要求比較高的線路或布線線密度大可采用雙面板。其特點(diǎn)是成本適中，可靠性高，能滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

　　模塊電源行列也有部分產(chǎn)品采用多層板，主要便于集成變壓器電感等功率器件，優(yōu)化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好，變壓器散熱好的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是成本較高，靈活性較差，僅適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

　　單面板，市場(chǎng)流通通用開關(guān)電源幾乎都采用了單面線路板，其具有低成本的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)，及生產(chǎn)工藝上采取一些措施亦可確保其性能。

　　今天談?wù)剢蚊嬗≈瓢逶O(shè)計(jì)的一些體會(huì)，由于單面板具有成本低廉，易于制造的特點(diǎn)，在開關(guān)電源線路中得到廣泛應(yīng)用，由于其只有一面縛銅，器件的電器連接，機(jī)械固定都要依靠那層銅皮，在處理時(shí)必須小心。

　　為保證良好的焊接機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，單面板焊盤應(yīng)稍微大一些，以確保銅皮和基板的良好縛著力，而不至于受到震動(dòng)時(shí)銅皮剝離、斷脫。一般焊環(huán)寬度應(yīng)大于 0.3mm。焊盤孔直徑應(yīng)略大于器件引腳直徑，但不宜過(guò)大，保證管腳與焊盤間由焊錫連接距離最短，盤孔大小以不妨礙正常查件為度，焊盤孔直徑一般大于管腳直徑0.1-0.2mm。多引腳器件為保證順利查件，也可更大一些。

　　電氣連線應(yīng)盡量寬，原則寬度應(yīng)大于焊盤直徑，特殊情況應(yīng)在連線于與焊盤交匯必須將線加寬（俗稱生成淚滴），避免在某些條件線與焊盤斷裂。原則最小線寬應(yīng)大于0.5mm。

　　單面板上元器件應(yīng)緊貼線路板。需要架空散熱的器件，要在器件與線路板之間的管腳上加套管，可起到支撐器件和增加絕緣的雙重作用，要最大限度減少或避免外力沖擊對(duì)焊盤與管腳連接處造成的影響，增強(qiáng)焊接的牢固性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連接點(diǎn)，可加強(qiáng)與線路板間連接強(qiáng)度，如變壓器，功率器件散熱器。

　　單面板焊接面引腳在不影響與外殼間距的前題條件下，可留得長(zhǎng)一些，其優(yōu)點(diǎn)是可增加焊接部位的強(qiáng)度，加大焊接面積、有虛焊現(xiàn)象可即時(shí)發(fā)現(xiàn)。引腳長(zhǎng)剪腿時(shí)，焊接部位受力較小。在臺(tái)灣、日本常采用把器件引腳在焊接面彎成與線路板成45度角，然后再焊接的工藝，的其道理同上。今天談一談雙面板設(shè)計(jì)中的一些事項(xiàng)，在一些要求比較高，或走線密度比較大的應(yīng)用環(huán)境中采用雙面印制板，其性能及各方面指標(biāo)要比單面板好很多。

　　雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強(qiáng)度較高，焊環(huán)可比單面板小一些，焊盤孔孔徑可比管腳直徑略微大一些，因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中有利于焊錫溶液通過(guò)焊孔滲透到頂層焊盤，以增加焊接可靠性。但是有一個(gè)弊端，如果孔過(guò)大，波峰焊時(shí)在射流錫沖擊下部分器件可能上浮，產(chǎn)生一些缺陷。

　　大電流走線的處理，線寬可按照前帖處理，如寬度不夠，一般可采用在走線上鍍錫增加厚度進(jìn)行解決，其方法有好多種

　　1， 將走線設(shè)置成焊盤屬性，這樣在線路板制造時(shí)該走線不會(huì)被阻焊劑覆蓋，熱風(fēng)整平時(shí)會(huì)被鍍上錫。

　　2， 在布線處放置焊盤，將該焊盤設(shè)置成需要走線的形狀，要注意把焊盤孔設(shè)置為零。

　　3， 在阻焊層放置線，此方法最靈活，但不是所有線路板生產(chǎn)商都會(huì)明白你的意圖，需用文字說(shuō)明。在阻焊層放置線的部位會(huì)不涂阻焊劑

　　線路鍍錫的幾種方法如上，要注意的是，如果很寬的的走線全部鍍上錫，在焊接以后，會(huì)粘接大量焊錫，并且分布很不均勻，影響美觀。一般可采用細(xì)長(zhǎng)條鍍錫寬度在1~1.5mm，長(zhǎng)度可根據(jù)線路來(lái)確定，鍍錫部分間隔0.5~1mm 雙面線路板為布局、走線提供了很大的選擇性，可使布線更趨于合理。關(guān)于接地，功率地與信號(hào)地一定要分開，兩個(gè)地可在濾波電容處匯合，以避免大脈沖電流通過(guò)信號(hào)地連線而導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定的意外因素，信號(hào)控制回路盡量采用一點(diǎn)接地法，有一個(gè)技巧，盡量把非接地的走線放置在同一布線層，最后在另外一層鋪地線。輸出線一般先經(jīng)過(guò)濾波電容處，再到負(fù)載，輸入線也必須先通過(guò)電容，再到變壓器，理論依據(jù)是讓紋波電流都通過(guò)旅濾波電容。

　　電壓反饋取樣，為避免大電流通過(guò)走線的影響，反饋電壓的取樣點(diǎn)一定要放在電源輸出最末梢，以提高整機(jī)負(fù)載效應(yīng)指標(biāo)。

　　走線從一個(gè)布線層變到另外一個(gè)布線層一般用過(guò)孔連通，不宜通過(guò)器件管腳焊盤實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诓逖b器件時(shí)有可能破壞這種連接關(guān)系，還有在每1A電流通過(guò)時(shí)，至少應(yīng)有2個(gè)過(guò)孔，過(guò)孔孔徑原則要大于0.5mm，一般0.8mm可確保加工可靠性。

　　器件散熱，在一些小功率電源中，線路板走線也可兼散熱功能，其特點(diǎn)是走線盡量寬大，以增加散熱面積，并不涂阻焊劑，有條件可均勻放置過(guò)孔，增強(qiáng)導(dǎo)熱性能。

　　接著談?wù)勪X基板在開關(guān)電源中的應(yīng)用和多層印制板在開關(guān)電源電路中的應(yīng)用。

　　鋁基板由其本身構(gòu)造，具有以下特點(diǎn)：導(dǎo)熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。

　　鋁基板上一般都放置貼片器件，開關(guān)管，輸出整流管通過(guò)基板把熱量傳導(dǎo)出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)基板散熱，其溫升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結(jié)構(gòu)可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放置控制電路，兩塊板之間通過(guò)物理連接合成一體。

　　由于鋁基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性，在小量手工焊接時(shí)比較困難，焊料冷卻過(guò)快，容易出現(xiàn)問(wèn)題現(xiàn)有一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，將一個(gè)燙衣服的普通電熨斗（最好有調(diào)溫功能），翻過(guò)來(lái)，熨燙面向上，固定好，溫度調(diào)到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時(shí)間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為宜，太高有可能時(shí)器件損壞，甚至鋁基板銅皮剝離，溫度太低焊接效果不好，要靈活掌握。

　　最近幾年，隨著多層線路板在開關(guān)電源電路中應(yīng)用，使得印制線路變壓器成為可能，由于多層板，層間距較小，也可以充分利用變壓器窗口截面，可在主線路板上再加一到兩片由多層板組成的印制線圈達(dá)到利用窗口，降低線路電流密度的目的，由于采用印制線圈，減少了人工干預(yù)，變壓器一致性好，平面結(jié)構(gòu)，漏感低，偶合好。開啟式磁芯，良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢(shì)，有利于大批量生產(chǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。但研制開發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生。

　　開關(guān)電源分為，隔離與非隔離兩種形式，在這里主要談一談隔離式開關(guān)電源的拓?fù)湫问?，在下文中，非特別說(shuō)明，均指隔離電源。隔離電源按照結(jié)構(gòu)形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導(dǎo)通時(shí)副邊截止，變壓器儲(chǔ)能。原邊截止時(shí)，副邊導(dǎo)通，能量釋放到負(fù)載的工作狀態(tài)，一般常規(guī)反激式電源單管多，雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導(dǎo)通同時(shí)副邊感應(yīng)出對(duì)應(yīng)電壓輸出到負(fù)載，能量通過(guò)變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激，包括單管正激，雙管正激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。

　　正激和反激電路各有其特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比，可以靈活運(yùn)用。一般在小功率場(chǎng)合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時(shí)采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。

　　反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省掉了一個(gè)和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應(yīng)用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦，輸出功率超過(guò)100瓦就沒有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有難度。本人認(rèn)為一般情況下是這樣的，但也不能一概而論，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章介紹反激電源可做到上千瓦，但沒見過(guò)實(shí)物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關(guān)。

　　反激電源變壓器漏感是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲(chǔ)存能量，要使變壓器鐵芯得到充分利用，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于鐵芯進(jìn)入飽和非線形狀態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產(chǎn)生漏磁遠(yuǎn)大于完全閉合磁路。

　　變壓器初次極間的偶合，也是確定漏感的關(guān)鍵因素，要盡量使初次極線圈靠近，可采用三明治繞法，但這樣會(huì)使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長(zhǎng)的磁芯，可減小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。

　　關(guān)于反激電源的占空比，原則上反激電源的最大占空比應(yīng)該小于0.5，否則環(huán)路不容易補(bǔ)償，有可能不穩(wěn)定，但有一些例外，如美國(guó)PI公司推出的 TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的條件下。占空比由變壓器原副邊匝數(shù)比確定，本人對(duì)做反激的看法是，先確定反射電壓（輸出電壓通過(guò)變壓器耦合反映到原邊的電壓值），在一定電壓范圍內(nèi)反射電壓提高則工作占空比增大，開關(guān)管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小，開關(guān)管損耗增大。當(dāng)然這也是有前提條件，當(dāng)占空比增大，則意味著輸出二極管導(dǎo)通時(shí)間縮短，為保持輸出穩(wěn)定，更多的時(shí)候?qū)⒂奢敵鲭娙莘烹婋娏鱽?lái)保證，輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷，而使其發(fā)熱加劇，這在許多條件下是不允許的。

　　占空比增大，改變變壓器匝數(shù)比，會(huì)使變壓器漏感加大，使其整體性能變，當(dāng)漏感能量大到一定程度，可充分抵消掉開關(guān)管大占空帶來(lái)的低損耗，時(shí)就沒有再增大占空比的意義了，甚至可能會(huì)因?yàn)槁└蟹捶逯惦妷哼^(guò)高而擊穿開關(guān)管。由于漏感大，可能使輸出紋波，及其他一些電磁指標(biāo)變差。當(dāng)占空比小時(shí)，開關(guān)管通過(guò)電流有效值高，變壓器初級(jí)電流有效值大，降低變換器效率，但可改善輸出電容的工作條件，降低發(fā)熱。如何確定變壓器反射電壓（即占空比）

　　有網(wǎng)友提到開關(guān)電源的反饋環(huán)路的參數(shù)設(shè)置，工作狀態(tài)分析。由于在上學(xué)時(shí)高數(shù)學(xué)的比較差，《自動(dòng)控制原理》差一點(diǎn)就補(bǔ)考了，對(duì)于這一門現(xiàn)在還感覺恐懼，到現(xiàn)在也不能完整寫出閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)零點(diǎn)、極點(diǎn)的概念感覺很模糊，看波德圖也只是大概看出是發(fā)散還是收斂，所以對(duì)于反饋補(bǔ)償不敢胡言亂語(yǔ)，但有有一些建議。如果有一些數(shù)學(xué)功底，再有一些學(xué)習(xí)時(shí)間可以再把大學(xué)的課本《自動(dòng)控制原理》找出來(lái)仔細(xì)的消化一下，并結(jié)合實(shí)際的開關(guān)電源電路，按工作狀態(tài)進(jìn)行分析。一定會(huì)有所收獲，論壇有一個(gè)帖子《拜師求學(xué)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)、調(diào)式》其中CMG回答得很好，我覺得可以參考。