主彩票

時間:2019-09-06

  談多年開關電源的設計心得,從開關電源印制板的設計、印制板布線、印制板銅皮走線、鋁基板和多層印制板在開關電源中的應用,到反激電源的占空比,絕對的實踐精華!
  一、開關電源印制板的設計
  首先從開關電源的設計及生産工藝開始描述吧,先說說印制板的設計。開關電源工作在高頻率,高脈沖狀態,屬于模擬電路中的一個比較特殊種類。布板時須遵循高頻電路布線原則。
  布局:脉冲电压连线尽可能短,其中输入开关管到变压器连线,输出变压器到整流管连接 线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接 近开关电源输入端,输入线应避免与其他电路平行,应避开。
  Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持一定距离,以避免磁偶合。如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽,以上几项对开关电 源的EMC性能影响较大。


  输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子,可影响电源输出纹波指标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器件要和电解 电容保持一定距离,以延长整机寿命,电解电容是开关电源寿命的瓶劲,如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离,电解之间也须留出散热空间,条件允许 可将其放置在进风口。
  控制部分要注意:高阻抗弱信號電路連線要盡量短如取樣反饋環路,在處理時要盡量避免其受幹擾、電流取樣信號電路,特別是電流控制型電路,處理不好易出現一些想不到的意外。
  二、印制板布線的一些原則
  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已經不存在什麽問題,完全能夠滿足大多數應用場合。考慮到開關電源所采用的元器件及生産工藝。
  一般雙面板最小線間距設爲0.3mm,單面板最小線間距設爲0.5mm,焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔,最小間距設爲0.5mm,可避免在焊接操作過程中出現“橋接”現象,這樣大多數制板廠都能夠很輕松滿足生産要求,並可以把成品率控制得非常高,亦可實現合理的布線密度及有一個較經濟的成本。
  最小線間距只適合信號控制電路和電壓低于63V的低壓電路,當線間電壓大于該值時一般可按照500V/1mm經驗值取線間距。
  鑒于有一些相關標准對線間距有較明確的規定,則要嚴格按照標准執行,如交流入口端至熔斷器端連線。某些電源對體積要求很高,如模塊電源。一般變壓器輸入側線間距爲1mm實踐證明是可行的。對交流輸入,(隔離)直流輸出的電源産品,比較嚴格的規定爲安全間距要大于等于6mm,當然這由相關的標准及執行方法確定。
  一般安全間距可由反饋光耦兩側距離作爲參考,原則大于等于這個距離。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。一般開關電源交流輸入側走線或板上元件距非絕緣的外殼、散熱器間距要大于5mm,輸出側走線或器件距外殼或散熱器間距要大于2mm,或嚴格按照安全規範執行。
  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合,順便提一下,該法也常用來作爲保護放電間隙,常見于電視機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殼間,這種材料有機械強度高,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用。在元件和周圍導體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。
  注意:某些器件絕緣被覆套不能用來作爲絕緣介質而減小安全間距,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能無阻礙地瀉壓。
  三、印制板銅皮走線注意事項
  走線電流密度:現在多數電子線路采用絕緣板縛銅構成。常用線路板銅皮厚度爲35μm,走線可按照1A/mm經驗值取電流密度值,具體計算可參見教科書。爲保證走線機械強度原則線寬應大于或等于0.3mm(其他非電源線路板可能最小線寬會小一些)。銅皮厚度爲70μm線路板也常見于開關電源,那麽電流密度可更高些。
  補充一點,現常用線路板設計工具軟件一般都有設計規範項,如線寬、線間距,旱盤過孔尺寸等參數都可以進行設定。在設計線路板時,設計軟件可自動按照規範執行,可節省許多時間,減少部分工作量,降低出錯率。
  一般對可靠性要求比較高的線路或布線線密度大可采用雙面板。其特點是成本適中,可靠性高,能滿足大多數應用場合。
  模塊電源行列也有部分産品采用多層板,主要便于集成變壓器電感等功率器件,優化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好,變壓器散熱好的優點,但其缺點是成本較高,靈活性較差,僅適合于工業化大規模生産。
  單面板,市場流通通用開關電源幾乎都采用了單面線路板,其具有低成本的優勢,在設計,及生産工藝上采取一些措施亦可確保其性能。
  四、 单面印制如何设计
  由于單面板具有成本低廉,易于制造的特點,在開關電源線路中得到廣泛應用,由于其只有一面縛銅,器件的電器連接,機械固定都要依靠那層銅皮,在處理時必須小心。
  爲保證良好的焊接機械結構性能,單面板焊盤應稍微大一些,以確保銅皮和基板的良好縛著力,而不至于受到震動時銅皮剝離、斷脫。一般焊環寬度應大于0.3mm。焊盤孔直徑應略大于器件引腳直徑,但不宜過大,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爲度,焊盤孔直徑一般大于管腳直徑0.1-0.2mm。多引腳器件爲保證順利查件,也可更大一些。
  電氣連線應盡量寬,原則寬度應大于焊盤直徑,特殊情況應在連線于與焊盤交彙必須將線加寬(俗稱生成淚滴),避免在某些條件線與焊盤斷裂。原則最小線寬應大于0.5mm。
  單面板上元器件應緊貼線路板。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焊盤與管腳連接處造成的影響,增強焊接的牢固性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連接點,可加強與線路板間連接強度,如變壓器,功率器件散熱器。
  单面板焊接面引脚在不影响与外壳间距的前题条件下,可留得长一些,其优点是可增加焊接部位的强度,加大焊接面积、有虚焊现象可即时发现。引脚长剪腿时,焊接部位受力较小。在台湾、日本常采用把器件引脚在焊接面弯成与线路板成45度 角,然后再焊接的工艺,的其道理同上。今天谈一谈双面板设计中的一些事项,在一些要求比较高,或走线密度比较大的应用环境中采用双面印制板,其性能及各方面指标要比单面板好很多。
  雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強度較高,焊環可比單面板小一些,焊盤孔孔徑可比管腳直徑略微大一些,因爲在焊接過程中有利于焊錫溶液通過焊孔滲透到頂層焊盤,以增加焊接可靠性。但是有一個弊端,如果孔過大,波峰焊時在射流錫沖擊下部分器件可能上浮,産生一些缺陷。
  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行解決,其方法有好多種:
  1、將走線設置成焊盤屬性,這樣在線路板制造時該走線不會被阻焊劑覆蓋,熱風整平時會被鍍上錫。
  2、在布線處放置焊盤,將該焊盤設置成需要走線的形狀,要注意把焊盤孔設置爲零。
  3、在阻焊層放置線,此方法最靈活,但不是所有線路板生産商都會明白你的意圖,需用文字說明。在阻焊層放置線的部位會不塗阻焊劑。
  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,在焊接以後,會粘接大量焊錫,並且分布很不均勻,影響美觀。一般可采用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm,長度可根據線路來確定,鍍錫部分間隔0.5~1mm雙面線路板爲布局、走線提供了很大的選擇性,可使布線更趨于合理。
  關于接地,功率地與信號地一定要分開,兩個地可在濾波電容處彙合,以避免大脈沖電流通過信號地連線而導致出現不穩定的意外因素,信號控制回路盡量采用一點接地法,有一個技巧,盡量把非接地的走線放置在同一布線層,最後在另外一層鋪地線。
  輸出線一般先經過濾波電容處,再到負載,輸入線也必須先通過電容,再到變壓器,理論依據是讓紋波電流都通過旅濾波電容。
  電壓反饋取樣,爲避免大電流通過走線的影響,反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢,以提高整機負載效應指標。
  走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實現,因爲在插裝器件時有可能破壞這種連接關系,還有在每1A電流通過時,至少應有2個過孔,過孔孔徑原則要大于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,其特點是走線盡量寬大,以增加散熱面積,並不塗阻焊劑,有條件可均勻放置過孔,增強導熱性能。
  五、鋁基板和多層印制板在開關電源中的應用
  接著談談鋁基板在開關電源中的應用和多層印制板在開關電源電路中的應用。
  鋁基板由其本身構造,具有以下特點:導熱性能非常優良、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。
  铝基板上一般都放置贴片器件,开关管,输出整流管通过基板把热量传导出去,热阻很低,可取得较高可靠性。变压器采用平面贴片结构,也可通过基板散热,其温 升比常规要低,同样规格变压器采用铝基板结构可得到较大的输出功率。铝基板跳线可以采用搭桥的方式处理。铝基板电源一般由由两块印制板组成,另外一块板放 置控制电路,两块板之间通过物理连接合成一体。
  由于鋁基板優良的導熱性,在小量手工焊接時比較困難,焊料冷卻過快,容易出現問題現有一個簡單實用的方法,將一個燙衣服的普通電熨鬥(最好有調溫功能),翻過來,熨燙面向上,固定好,溫度調到150℃左右,把鋁基板放在熨鬥上面,加溫一段時間,然後按照常規方法將元件貼上並焊接,熨鬥溫度以器件易于焊接爲宜,太高有可能時器件損壞,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電源電路中應用,使得印制線路變壓器成爲可能,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,減少了人工幹預,變壓器一致性好,平面結構,漏感低,偶合好。開啓式磁芯,良好的散熱條件。
  由于其具有諸多的優勢,有利于大批量生産,所以得到廣泛的應用。但研制開發初期投入較大,不適合小規模生。
  開關電源分爲,隔離與非隔離兩種形式,在這裏主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式,在下文中,非特別說明,均指隔離電源。隔離電源按照結構形式不同,可分爲兩大類:正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止,變壓器儲能。原邊截止時,副邊導通,能量釋放到負載的工作狀態,一般常規反激式電源單管多,雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載,能量通過變壓器直接傳遞。按規格又可分爲常規正激,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,在設計電路的過程中爲達到最優性價比,可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。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,低電壓時采用推挽電路,與半橋工作狀態相同。大功率輸出,一般采用橋式電路,低壓也可采用推挽電路。
  反激式電源因其結構簡單,省掉了一個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100瓦就沒有優勢,實現起來有難度。本人認爲一般情況下是這樣的,但也不能一概而論,PI有文章介紹反激電源可做到上千瓦,但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關。
  反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數,由于反激電源需要變壓器儲存能量,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,而不至于鐵芯進入飽和非線形狀態,磁路中氣隙處于高磁阻狀態,在磁路中産生漏磁遠大于完全閉合磁路。
  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,但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。
  關于反激電源的占空比,原則上反激電源的最大占空比應該小于0.5,否則環路不容易補償,有可能不穩定,但有一些例外,如美國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比確定,本人對做反激的看法是,先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值),在一定電壓範圍內反射電壓提高則工作占空比增大,開關管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小,開關管損耗增大。
  當然這也是有前提條件,當占空比增大,則意味著輸出二極管導通時間縮短,爲保持輸出穩定,更多的時候將由輸出電容放電電流來保證,輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷,而使其發熱加劇,這在許多條件下是不允許的。占空比增大,改變變壓器匝數比,會使變壓器漏感加大,使其整體性能變,當漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉開關管大占空帶來的低損耗,時就沒有再增大占空比的意義了,甚至可能會因爲漏感反峰值電壓過高而擊穿開關管。
  由于漏感大,可能使輸出紋波,及其他一些電磁指標變差。當占空比小時,開關管通過電流有效值高,變壓器初級電流有效值大,降低變換器效率,但可改善輸出電容的工作條件,降低發熱。如何確定變壓器反射電壓(即占空比)。
  有網友提到開關電源的反饋環路的參數設置,工作狀態分析。由于在上學時高數學的比較差,《自動控制原理》差一點就補考了,對于這一門現在還感覺恐懼,到現在也不能完整寫出閉環系統傳遞函數,對于系統零點、極點的概念感覺很模糊,看波德圖也只是大概看出是發散還是收斂,所以對于反饋補償不敢胡言亂語,但有一些建議。
  如果有一些數學功底,再有一些學習時間可以再把大學的課本《自動控制原理》找出來仔細的消化一下,並結合實際的開關電源電路,按工作狀態進行分析。
  六、反激電源的占空比
  最後談談關于反激電源的占空比(本人關注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關管的耐壓有關,有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管,如600V或650V作爲交流220V輸入電源的開關管,也許與當時生産工藝有關,高耐壓管子,不易制造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則爲使開關管工作在安全範圍內,吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。
  實踐證明600V管子反射電壓不要大于100V,650V管子反射電壓不要大于120V,把漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作余量。現在由于MOS管制造工藝水平的提高,一般反激電源都采用700V或750V甚至800-900V的開關管。
  像這種電路,抗過壓的能力強一些開關變壓器反射電壓也可以做得比較高一些,最大反射電壓在150V比較合適,能夠獲得較好的綜合性能。PI公司的TOP芯片推薦爲135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位。但他的評估板一般反射電壓都要低于這個數值在110V左右。這兩種類型各有優缺點:
  第一類:缺點抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級脈沖電流大。優點:變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關管損耗小,轉換效率不一定比第二類低。
  第二類:缺點開關管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些。優點:抗過壓能力強一些,占空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些。
  反激電源反射電壓還有一個確定因素,反激電源的反射電壓還與一個參數有關,那就是輸出電壓,輸出電壓越低則變壓器匝數比越大,變壓器漏感越大,開關管承受電壓越高,有可能擊穿開關管、吸收電路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效(特別是采用瞬變電壓抑制二極管的電路)。在設計低壓輸出小功率反激電源的優化過程中必須小心處理,其處理方法有幾個:
  1、采用大一個功率等級的磁芯降低漏感,這樣可提高低壓反激電源的轉換效率,降低損耗,減小輸出紋波,提高多路輸出電源的交差調整率,一般常見于家電用開關電源,如光碟機、DVB機頂盒等。
  2、如果條件不允許加大磁芯,只能降低反射電壓,減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但有可能使電源轉換效率降低,這兩者是一個矛盾,必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點,在變壓器替代實驗過程中,可以檢測變壓器原邊的反峰電壓,盡量降低反峰電壓脈沖的寬度,和幅度,可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時比較合適。
  3、增強耦合,降低損耗,采用新的技術,和繞線工藝,變壓器爲滿足安全規範會在原邊和副邊間采取絕緣措施,如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能,現實生産中可采用初級繞組包繞次級的繞法。或者次級用三重絕緣線繞制,取消初次級間的絕緣物,可以增強耦合,甚至可采用寬銅皮繞制。
  文中低壓輸出指小于或等于5V的輸出,像這一類小功率電源,本人的經驗是,功率輸出大于20W輸出可采用正激式,可獲得最佳性價比,當然這也不是決對的,與個人的習慣,應用的環境有關系,下次談一談反激電源用磁性芯,磁路開氣隙的一些認識,希望各位高人指點。
  反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態,所以磁路需要開氣隙,類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。
  爲什麽開氣隙的原理本人理解爲:由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B),現在的生産工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。
  磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜,在同樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則相當于磁心儲存更多的能量,此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯開氣隙有兩個作用。其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進入飽和狀態。
  反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態,不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導致電源損壞。
  所謂反激電源的連續與斷續模式是指變壓器的工作狀態,在滿載狀態變壓器工作于能量完全傳遞,或不完全傳遞的工作模式。一般要根據工作環境進行設計,常規反激電源應該工作在連續模式,這樣開關管、線路的損耗都比較小,而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力,但是這也有一些例外。
  需要在這裏特別指出:由于反激電源的特點也比較適合設計成高壓電源,而高壓電源變壓器一般工作在斷續模式,本人理解爲由于高壓電源輸出需要采用高耐壓的整流二極管。
  由于制造工藝特點,高反壓二極管,反向恢複時間長,速度低,在電流連續狀態,二極管是在有正向偏壓時恢複,反向恢複時的能量損耗非常大,不利于變換器性能的提高,輕則降低轉換效率,整流管嚴重發熱,重則甚至燒毀整流管。由于在斷續模式下,二極管是在零偏壓情況下反向偏置,損耗可以降到一個比較低的水平。所以高壓電源工作在斷續模式,並且工作頻率不能太高。
  還有一類反激式電源工作在臨界狀態,一般這類電源工作在調頻模式,或調頻調寬雙模式,一些低成本的自激電源(RCC)常采用這種形式,爲保證輸出穩定,變壓器工作頻率隨著,輸出電流或輸入電壓而改變,接近滿載時變壓器始終保持在連續與斷續之間,這種電源只適合于小功率輸出,否則電磁兼容特性的處理會很讓人頭痛。
  反激開關電源變壓器應工作在連續模式,那就要求比較大的繞組電感量,當然連續也是有一定程度的,過分追求絕對連續是不現實的,有可能需要很大的磁芯,非常多的線圈匝數,同時伴隨著大的漏感和分布電容,可能得不償失。
  那麽如何確定這個參數呢,通過多次實踐,及分析同行的設計,本人認爲,在標稱電壓輸入時,輸出達到50%~60%變壓器從斷續,過渡到連續狀態比較合適。或者在最高輸入電壓狀態時,滿載輸出時,變壓器能夠過渡到連續狀態就可以了。

上一篇:電路設計中如何選擇二極管?
下一篇:用最好的LED和恒流驅動,爲什麽還是容易燒電路?

免责声明: 凡注明来源本网的所有作品,均为本网合法拥有版权或有权使用的作品,欢迎转载,注明出处。非本网作品均来自互联网,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

相关技術資料