開關(guān)電源設(shè)計舉例 - 經(jīng)典指南：你真的了解開關(guān)電源嗎？

　　開關(guān)電源設(shè)計舉例

　　設(shè)計一個標(biāo)準(zhǔn)的多輸出電源：

　　穩(wěn)態(tài)設(shè)計規(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 * 寬 * 高

　　9、模塊環(huán)境溫度：-20 ~ 50攝氏度

　　10、溫度系數(shù)：≤0.02%

　　11、輸出保持時間：16ms

　　設(shè)計必須實現(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)壓且滿足各項電性能指標(biāo)

　　3、實現(xiàn)規(guī)格書要求的自動保護(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)端補償

　　6、實現(xiàn)規(guī)格書的安全要求

　　7、實現(xiàn)規(guī)格書的EMI要求

　　8、實現(xiàn)規(guī)格書的熱插拔要求

　　9、實現(xiàn)規(guī)格書的MTBF要求

　　10、實現(xiàn)規(guī)格書的成本要求

　　11、實現(xiàn)規(guī)格書的通斷邏輯功能要求

　　開關(guān)電源設(shè)計優(yōu)化

　　當(dāng)我們設(shè)計完成一個開關(guān)電源以后，只是大致實現(xiàn)了其功能和指標(biāo)，還需要進(jìn)行各種優(yōu)化。

　　1、功率級參數(shù)的優(yōu)化

　　在選定功率級拓?fù)浜?，可利用前面的知識和穩(wěn)態(tài)工作點選擇對功率參數(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，其繞法都會直接影響其他功率元器件的選擇和整個功率級的效率及功率密度。合理地選擇功率開關(guān)器件和它們的驅(qū)動電路及吸收電路，對功率級的性能也很重要。

　　2、環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化

　　在選定功率級拓?fù)浜涂刂撇呗院螅衫们懊娴闹R在功率級參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對環(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，最重要的是補償器參數(shù)，調(diào)制器參數(shù)（如外部斜波補償含量）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，從而實現(xiàn)更好的動態(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，必須對輔助電源的質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，使得：

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

　　---輔助電源對開關(guān)電源動態(tài)性能的影響最小

　　---輔助電源不會影響開關(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)端補償?shù)鹊龋┑膬?yōu)化

　　---PCB Layout的優(yōu)化等等

　　開關(guān)電源設(shè)計折中

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

　　1、穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能的折中

　　很多功率級拓?fù)洌浞€(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能通常難以兼顧，穩(wěn)態(tài)性能好，動態(tài)性能就差，動態(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，一定要根據(jù)要求和應(yīng)用場合來合理選擇。

　　即使同一個拓?fù)?，其功率級參?shù)設(shè)計時，也要考慮穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能的折中。如：輸出濾波器電感的設(shè)計，對效率而言，希望其越大越好，但對動態(tài)性能而言，則希望其小一點好，所以設(shè)計時需要折中。

　　2、功率密度與可靠性的折中

　　很多有更高功率密度的拓?fù)?，其實現(xiàn)時會比較復(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)時也要根據(jù)可靠性和性能來進(jìn)行具體折中。如一些實現(xiàn)軟開關(guān)的拓?fù)?，一般可實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，具有更高的功率密度，但他們在實現(xiàn)的產(chǎn)品中，可靠性往往較低。

　　3、小信號性能與大信號性能的折中

　　在一個電源中，有很多性能需要滿足，利用不同的控制策略，不同的補償電路會得到不同的動態(tài)性能。有些控制策略或參數(shù)對輸入端的擾動具有較強(qiáng)的抑制能力，有些則對負(fù)載端的擾動具有較強(qiáng)的抑制能力，有的參數(shù)對小信號動態(tài)穩(wěn)定性很好，但在大信號下，其可能不穩(wěn)定，有的參數(shù)能滿足大信號的要求，但小信號下其會變差，因此，要對大小信號的動態(tài)設(shè)計進(jìn)行折中。

　　4、高低溫下的設(shè)計折中

　　在一個電源中，因各種參數(shù)都是與其工作時的溫度有關(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，但這會使得各元器件之間的熱影響更厲害，各元器件的損耗會更大。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，但因寄生參數(shù)的增加，會使器件的電應(yīng)力增加，效率變低，EMI性能變壞，所以，電源中熱與電兩個設(shè)計是非常需要折中的。

　　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)計時需要折中。如：功率變壓器的設(shè)計，對穩(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，但在實現(xiàn)漏感最小的同時，往往會增加繞組之間的分布電容，這通常會增加共模EMI干擾和降低安全性。

　　另外，如驅(qū)動能力的折中。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，這可通過減小門級驅(qū)動電阻來實現(xiàn)，但在開關(guān)速度提高的同時，往往會增加電源的共模EMI，使得EMI特性變差。

　　7、其他折中

　　做好一個開關(guān)電源，還有很多其他折中要做，總之，因為開關(guān)電源是一個在一定邊界（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)到最佳的性價比。