开关电源知识了解

  电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。虽然市面上有很多介绍的书籍，但仍然缺少快速入门及经验总结类的资料，所以，尽管资料丰富，但还是有很多人不知道怎么样利用。当然这篇文档只是入门介绍，深入研究还要看其他专着。

  从电网得到的交流电或由电池取得的直流电是随环境和温度、时间和负载所变化的，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级的功能，对其供电电源的精度随环境的变化，动态响应能力，还有很多其他的指标都有非常高的要求。将电网或电池的一次电能转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备就是我们这里要讲的电源。

  随着片状电子元件、表面安装技术及大规模集成电路的发展，电子科技类产品越来越小型化、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。

  一个比较好的解决方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的低频变压器，采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源，即我们马上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、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。

  有些技术很成熟了，只要查表或者使用现成电路或专用芯片就能做好。EMI很难，因为元件特性会变化。

  开关电源变压器是开关电源中的核心部件，作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。由于开关变压器的工作频率很高，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。设计时需要仔细考虑磁芯材料选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等。

  开关电源变压器工作于高频状态，分布参数有漏感、分布电容和电流趋肤效应。一般根据开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应则作为选择导线规格的条件之一。

  开关电源变压器的工作状态与开关型功率变换器的电路形式有关，一般根据功率大小，使用上的要求，采用不一样形式的功率变换器。不同的电路形式，开关电源变压器工作状态也不同，对开关电源变压器也提出了不同的设计要求。

  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。

  开关电源变压器中使用的是软磁材料。比如：铁氧体材料。铁氧体材料很容易加工成各种形状，可根据开关变压器的电路类型、使用上的要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁芯形状。磁芯型号主要有：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计算：漏感计算、分布电容计算、穿透深度(导线选择)、交流电阻计算、电流有效值。

  当我们设计完成一个开关电源以后，只是大致实现了其功能和指标，还有必要进行各种优化。

  在选定功率级拓扑后，可利用前面的知识和稳态工作点选择对功率参数来优化，使得：

  在这些优化中，最重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整个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吸收电路，对功率级的性能也很重要。

  在选定功率级拓扑和控制策略后，可利用前面的知识在功率级参数优化的基础上，对环路参数来优化，使得：

  在环路优化中，最重要的是补偿器参数，调制器参数(如外部斜波补偿含量)和光耦电路参数的优化。其中，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，以此来实现更好的动态性能和更高的功率密度。

  采用变压器绕组或电感绕组的辅助电源，其输出电压的质量一般不太好，通过对辅助电源的优化，要保证自供电后的电源整机性能变化最小，可靠性没有问题。

  设计开关电源是个充满矛盾的过程，鱼和熊掌不可得兼，需要平衡折中各种指标，这个火候的掌握和拿捏需要大量经验。前面谈了优化，现在谈折中，有时反而需要减少优化程度，线、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通常难以兼顾，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，所以最终选择拓扑时，一定要根据要求和应用场合来合理选择。

  即使同一个拓扑，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，所以设计时需要折中。

  很多有更高功率密度的拓扑，其实现时会很复杂，而且往往拓扑本身还有可靠性较低的隐患，所以，选择拓扑结构时也要根据可靠性和性能来进行具体折中。如一些实现软开关的拓扑，一般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，可靠性往往较低。

  在一个电源中，有很多性能需要满足，利用不一样的控制策略，不同的补偿电路会得到不同的动态性能。有些控制策略或参数对输入端的扰动具有较强的抑制能力，有些则对负载端的扰动具有较强的抑制能力，有的参数对小信号动态稳定性很好，但在大信号下，其可能不稳定，有的参数能满足大信号的要求，但小信号下其会变差，因此，要对大小信号的动态设计进行折中。

  在一个电源中，因各种参数都是与其工作时的温度有关，所以必须找出一组参数能在全部环境和温度范围内满足所有性能指标，这需要做很多折中。

  在一个电源中，电性能(如电应力和EMI性能)与热性能之间的要求是矛盾的。为了获得好的EMI和低的电应力，希望功率元器件的回路尽量小，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，改善热设计，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，所以，电源中热与电两个设计是非常需要折中的。

  在开关电源中，有一些核心部件，在设计时需要折中。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，往往会增加绕组之间的分布电容，这通常会增加共模EMI干扰和降低安全性。

  另外，如驱动能力的折中。为了减小功率开关器件(MOSFET)的开关损耗，希望其开关过程尽量短，这可通过减小门级驱动电阻来实现，但在开关速度提高的同时，往往会增加电源的共模EMI，使得EMI特性变差。

  做好一个开关电源，还有很多其他折中要做，总之，因为开关电源是一个在一定边界(由输入电压、负载电流和环境和温度组成的长方体)之内，满足规格书要求的功率电子科技类产品，既有功率处理和信息处理，又有热处理，所以，为了做好这样的产品，必须要做很多很多的折中。这要求研发人员了解如何在折中的基础上优化，在优化的基础上折中，使开发的电源产品达到最佳的性价比。