多層線路板在開(kāi)關(guān)電源電路中的應(yīng)用
最近幾年，隨著多層線路板在開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生。
開(kāi)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(kāi)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(lèi)：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(jiàn)。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(méi)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(méi)見(jiàn)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(kāi)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，原則上軍用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(kāi)關(guān)管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小，開(kāi)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(kāi)關(guān)管大占空帶來(lái)的低損耗，時(shí)就沒(méi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(mén)現(xiàn)在還感覺(jué)恐懼，到現(xiàn)在也不能完整寫(xiě)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(jué)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(kāi)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(jué)得可以參考。
接著談關(guān)于反激電源的占空比(本人關(guān)注反射電壓，與占空比一致)，占空比還與選擇開(kāi)關(guān)管的耐壓有關(guān)，有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開(kāi)關(guān)管，如600V或650V作為交流220V輸入電源的開(kāi)關(guān)管，也許與當(dāng)時(shí)生產(chǎn)工藝有關(guān)，高耐壓管子，不易制造，或者低耐壓管子有更合理的導(dǎo)通損耗及開(kāi)關(guān)特性，像這種線路反射電壓不能太高，否則為使開(kāi)關(guān)管工作在安全范圍內(nèi)，吸收電路損耗的功率也是相當(dāng)可觀的。實(shí)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(shí)管子還有50V的工作余量。現(xiàn)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(kāi)關(guān)管。像這種電路，抗過(guò)壓的能力強(qiáng)一些開(kāi)關(guān)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芯片推薦為135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位。但他的*估板一般反射電壓都要低于這個(gè)數(shù)值在110V左右。這兩種類(lèi)型各有優(yōu)缺點(diǎn)：
第一類(lèi)：缺點(diǎn)抗過(guò)壓能力弱，占空比小，變壓器初級(jí)脈沖電流大。優(yōu)點(diǎn)：變壓器漏感小，電磁輻射低，紋波指標(biāo)高，開(kāi)關(guān)管損耗小，轉(zhuǎn)換效率不一定比第二類(lèi)低。
第二類(lèi)：缺點(diǎn)開(kāi)關(guān)管損耗大一些，變壓器漏感大一些，紋波差一些。優(yōu)點(diǎn)：抗過(guò)壓能力強(qiáng)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(gè)確定因素
軍用開(kāi)關(guān)電源的反射電壓還與一個(gè)參數(shù)有關(guān)，那就是輸出電壓，輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大，變壓器漏感越大，開(kāi)關(guān)管承受電壓越高，有可能擊穿開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過(guò)程中必須小心處理，其處理方法有幾個(gè)：
1、采用大一個(gè)功率等級(jí)的磁芯降低漏感，這樣可提高低壓反激電源的轉(zhuǎn)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(diào)整率，一般常見(jiàn)于家電用開(kāi)關(guān)電源，如光碟機(jī)、DVB機(jī)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(zhuǎn)換效率降低，這兩者是一個(gè)矛盾，必須要有一個(gè)替代過(guò)程才能找到一個(gè)合適的點(diǎn)，在變壓器替代實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以檢測(cè)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(shí)比較合適。
3、增強(qiáng)耦合，降低損耗，采用新的技術(shù)，和繞線工藝，變壓器為滿足安全規(guī)范會(huì)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(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中可采用初級(jí)繞組包繞次級(jí)的繞法。或者次級(jí)用三重絕緣線繞制，取消初次級(jí)間的絕緣物，可以增強(qiáng)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(lèi)小功率電源，本人的經(jīng)驗(yàn)是，功率輸出大于20W輸出可采用正激式，可獲得最佳性價(jià)比，當(dāng)然這也不是決對(duì)的，與個(gè)人的習(xí)慣，應(yīng)用的環(huán)境有關(guān)系，下次談一談反激電源用磁性芯，磁路開(kāi)氣隙的一些認(rèn)識(shí)，希望各位高人指點(diǎn)。
反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài)，所以磁路需要開(kāi)氣隙，類(lèi)似于脈動(dòng)直流電感器。部分磁路通過(guò)空氣縫隙耦合。為什么開(kāi)氣隙的原理本人理解為：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(yīng)強(qiáng)度(B)，現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點(diǎn)在400mT以上，一般此值在設(shè)計(jì)中取值應(yīng)該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)此值與磁化電流強(qiáng)度成比例關(guān)系。磁路開(kāi)氣隙相當(dāng)于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜，在同樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，可承受更大的磁化電流，則相當(dāng)于磁心儲(chǔ)存更多的能量，此能量在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)通過(guò)變壓器次級(jí)瀉放到負(fù)載電路，反激電源磁芯開(kāi)氣隙有兩個(gè)作用。其一是傳遞更多能量，其二防止磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。
反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài)，不僅要通過(guò)磁耦合傳遞能量，還擔(dān)負(fù)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(jī)性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和，導(dǎo)致電源損壞
所謂反激電源的連續(xù)與斷續(xù)模式是指變壓器的工作狀態(tài)，在滿載狀態(tài)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(jù)工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，常規(guī)反激電源應(yīng)該工作在連續(xù)模式，這樣開(kāi)關(guān)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(yīng)力，但是這也有一些例外。需要在這里特別指出：由于反激電源的特點(diǎn)也比較適合設(shè)計(jì)成高壓電源，而高壓電源變壓器一般工作在斷續(xù)模式，本人理解為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(diǎn)，高反壓二極管，反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，速度低，在電流連續(xù)狀態(tài)，二極管是在有正向偏壓時(shí)恢復(fù)，反向恢復(fù)時(shí)的能量損耗非常大，不利于變換器性能的提高，輕則降低轉(zhuǎn)換效率，整流管?chē)?yán)重發(fā)熱，重則甚至燒毀整流管。由于在斷續(xù)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(gè)比較低的水平。所以高壓電源工作在斷續(xù)模式，并且工作頻率不能太高。還有一類(lèi)反激式電源工作在臨界狀態(tài)，一般這類(lèi)電源工作在調(diào)頻模式，或調(diào)頻調(diào)寬雙模式，一些低成本的自激電源(RCC)常采用這種形式，為保證輸出穩(wěn)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(shí)變壓器始終保持在連續(xù)與斷續(xù)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(huì)很讓人頭痛。
反激開(kāi)關(guān)電源變壓器應(yīng)工作在連續(xù)模式，那就要求比較大的繞組電感量，當(dāng)然連續(xù)也是有一定程度的，過(guò)分追求絕對(duì)連續(xù)是不現(xiàn)實(shí)的，有可能需要很大的磁芯，非常多的線圈匝數(shù)，同時(shí)伴隨著大的漏感和分布電容，可能得不償失。那么如何確定這個(gè)參數(shù)呢，通過(guò)多次實(shí)踐，及分析同行的設(shè)計(jì)，本人認(rèn)為，在標(biāo)稱(chēng)電壓輸入時(shí)，輸出達(dá)到50%~60%變壓器從斷續(xù)，過(guò)渡到連續(xù)狀態(tài)比較合適�；蛘咴谧罡咻斎腚妷籂顟B(tài)時(shí)，滿載輸出時(shí)，變壓器能夠過(guò)渡到連續(xù)狀態(tài)就可以了。
新的器件和新的拓?fù)淅碚摰某霈F(xiàn)使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)日趨可靠、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用。開(kāi)關(guān)電源目前的發(fā)展,可以概括為以下幾個(gè)方面：
1、高頻化技術(shù)
隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率將上升到MHz。但隨著開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，開(kāi)關(guān)元件和無(wú)源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問(wèn)題也將隨之產(chǎn)生。
2、數(shù)字化技術(shù)
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作。目前，在整個(gè)的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)等都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個(gè)沒(méi)有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域。近年來(lái)，數(shù)字電源的研究勢(shì)頭不減，成果也越來(lái)越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司主要有TI和Microchip。
3、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)
為提高變換器的變換效率，各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，具有代表性的是無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，主要包括零電壓開(kāi)關(guān)/零電流開(kāi)關(guān)(ZVS/ZCS)諧振、準(zhǔn)諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(shù)(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過(guò)渡/零電流過(guò)渡脈寬調(diào)制(ZVT/ZCT-PWM)技術(shù)等。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效地降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高。
4、功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)
由于AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，在正弦電壓輸入時(shí),單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6～0.65。采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小于20%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱(chēng)為有源功率因數(shù)校正APFC單相，APFC國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟。目前PFC技術(shù)主要分為有源PFC技術(shù)和無(wú)源PFC技術(shù)兩大類(lèi)，采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變化器輸入端功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。
5、模塊化技術(shù)
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。近年來(lái)，有些公司把開(kāi)關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過(guò)電壓、過(guò)電流、毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶專(zhuān)用”功率模塊(ASPM)，它把一臺(tái)整機(jī)的所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，這樣的模塊經(jīng)過(guò)嚴(yán)格合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化完美的境地。由此可見(jiàn)，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。
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