基于電源適配器的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電源適配器的設(shè)計(jì)和制造要從主電路開始，其中功率變換電路是設(shè)計(jì)開關(guān)電源的核心;功率變換電路設(shè)計(jì)，就涉及到電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以電源電路設(shè)計(jì)首要是確定電路的結(jié)構(gòu)，采用AC/DC還是DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其次是選好控制電路，采用PWM還是PFM控制方式，根據(jù)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸出功率大小、電源應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的控制電路。另外電源設(shè)計(jì)還包括了一些必要的輔助電路，比如，抗電磁干擾電路，整流/濾波電路、過電流/電壓保護(hù)電路等。

這種方法的目的是使諧振電路因子Q 值降低，從而減小發(fā)生諧振時(shí)的濾波器阻抗，如下圖所示，可以看到加入RC串聯(lián)電路之后濾波器的阻抗在諧振頻點(diǎn)已經(jīng)下降。

在許多情況下，也有使用具有較高ESR的電解電容器代替，但需要注意的是，ESR是一個(gè)會(huì)隨頻率和溫度發(fā)生變化的參數(shù)。采用伍爾特的REDEXPERT在線平臺(tái)可以看到頻率對(duì)于ESR帶來的影響，如下圖所示，圖中是一顆10uF/ 50V的鋁電解液電容對(duì)應(yīng)ESR隨頻率的變化曲線。

此外，如果要增加濾波器高頻處(例如大于10MHz)的濾波效果，可以考慮加入磁珠，下圖中通過仿真軟件LTspice給出了LC濾波器以及加入磁珠L4之后組成的LCL濾波器在噪聲抑制特性上的差異，可以看到增加磁珠之后對(duì)于濾波器在高頻處噪聲抑制效果帶來的好處，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要注意電流對(duì)于磁珠阻抗的影響。

設(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源中輸出濾波器

輸出端濾波器同樣有其需要注意的地方，如下圖所示，為了增強(qiáng)高頻抑制特性，輸出端加入了包含磁珠的濾波器，但考慮在輸出電流較大的情況下電感以及磁珠的直流電阻RDC帶來的影響，將濾波器放入了DC/DC開關(guān)電源的反饋網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，從而消除直流壓降帶來的影響。

但反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的濾波器件可能會(huì)帶來不希望的相移，從而使得開關(guān)電源的環(huán)路穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，降低環(huán)路的增益裕量和相位裕量。在極端情況下，甚至?xí)沟铆h(huán)路不穩(wěn)定并導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生振蕩。實(shí)際設(shè)計(jì)中，增益裕量要求大于12dB且相位裕量大于45°的環(huán)路能夠保證環(huán)路的穩(wěn)定性，從而使得在外界的激勵(lì)下輸出不會(huì)產(chǎn)生振蕩。下圖中是針對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的BUCK電路進(jìn)行反饋環(huán)路測(cè)試之后繪制的伯德圖，從中可以看出增益裕量為32dB和相位裕量為56°。

所有開關(guān)電源設(shè)計(jì)的最后一步就是印制電路板(PCB)的線路設(shè)計(jì)。如果這部分設(shè)計(jì)不當(dāng)，PCB也會(huì)使電源工作不穩(wěn)定，發(fā)射出過量的電磁干擾(EMI)。設(shè)計(jì)者的作用就是在理解電路工作過程的基礎(chǔ)上，保證PCB設(shè)計(jì)合理。

開關(guān)電源中，有些信號(hào)包含豐富的高頻分量，因而任何一條PCB引線都可能成為天線。引線的長和寬影響它的電阻和電感量，進(jìn)而關(guān)系到它們的頻率響應(yīng)。即使是傳送直流信號(hào)的引線，也會(huì)從鄰近的引線上引入RF(射頻)信號(hào)，使電路發(fā)生故障，或者把這干擾信號(hào)再次輻射出去。所有傳送交流信號(hào)的引線要盡可能短且寬。這意味著任何與多條功率線相連的功率器件要盡可能緊挨在一起，以減短連線長度。引線的長度直接與它的電感量和電阻量成比例，它的寬度則與電感量和電阻量成反比。引線長度就決定了其響應(yīng)信號(hào)的波長，引線越長，它能接收和傳送的干擾信號(hào)頻率就越低，它所接收到的RF(射頻)能量也越大。