交換式開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)

開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS)，又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是通過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關(guān)電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開關(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會頻繁切換，若切換電流尚未加以處理，可能會產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。

1、整流橋并聯(lián)

在小功率設(shè)計(jì)中，一般很少用到整流橋的并聯(lián)，但在某些大功率輸出的情況下，不想增添新的器件單個(gè)整流橋電流又不滿足輸入功率要求，就需要用到整流橋的并聯(lián)了，整流橋的并聯(lián)不能采用兩個(gè)整流橋各自整流后直流并聯(lián)的方式，也就是不能采用圖1的方式，因?yàn)檎鳂驔]有配對，單純靠自身的V-I特性，一般是無法均流的，這樣就會造成兩個(gè)整流橋發(fā)熱不一致。而采用圖2的方式，通常認(rèn)為在一個(gè)封裝內(nèi)的兩個(gè)二極管是非常匹配的，是可以均分電流的，所以采用圖2的方式就可以實(shí)現(xiàn)整流橋的并聯(lián)了。

2、浮地驅(qū)動

在驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會提到MOS管需要浮地驅(qū)動，那么什么是浮地驅(qū)動呢?簡單的說就是MOS管的S極與控制IC的地不是直接相連的，也就是說不是共地的。以我們常用的BUCK電路為例，如下圖：控制IC的地一般是與輸入電源的地共地的，而MOS管的S極與輸入電源的地之間還有一個(gè)二極管，所以控制IC的驅(qū)動信號不能直接接到MOS管的柵極，而需要額外的驅(qū)動電路或驅(qū)動IC，比如變壓器隔離驅(qū)動或類似IR2110這樣的帶自舉電路的驅(qū)動芯片。

當(dāng)然還有另外的方式，那就是采用別的方式給控制IC供電，然后將控制IC的地連接到MOS管的S端，這樣就不是浮地了，控制IC的輸出就可以直接驅(qū)動MOS管。

3、滯環(huán)比較器

在保護(hù)電路中，為了防止保護(hù)電路在保護(hù)點(diǎn)附近來回震蕩，所以一般都增加一定的滯環(huán)。

在下圖中，1M電阻就起到滯環(huán)的作用，如果沒有1M電阻，很明顯，VF電壓達(dá)到2.5V運(yùn)放輸出低電平，低于2.5V，運(yùn)放輸出高電平。增加1M電阻后，在運(yùn)放輸出低電平時(shí)，6腳電平為0.7+(2.5-0.7)*1000/1010=2.48V。當(dāng)VF低于6腳電平后，7腳輸出高電平(如果運(yùn)放供電15V，7腳輸出可按照14V計(jì)算)可以計(jì)算此時(shí)6腳電平為2.5+(14-2.5)*10/1010=2.61V，如果這是一個(gè)輸入欠壓保護(hù)電路，且VF為100：1的取樣，則當(dāng)輸入電壓高于261V，電路正常工作，當(dāng)電壓低于248V才會欠壓保護(hù)，這樣就增強(qiáng)了保護(hù)電路的抗干擾能力。

一般經(jīng)常用到滯環(huán)比較器的地方有：過欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)燈電路等。

4、誤差放大器輸出鉗位電路

設(shè)計(jì)電源中，無論是恒壓源還是恒流源，只要是閉環(huán)控制，總少不了誤差放大器，在進(jìn)入閉環(huán)之前，誤差放大器輸出電壓為最高值，正常來說，誤差放大器供電一般在15V左右，則誤差放大器的輸出在開環(huán)的時(shí)候?yàn)?4V左右，隨著輸入信號的增加，達(dá)到穩(wěn)壓(穩(wěn)流)點(diǎn)后，誤差放大器從最高點(diǎn)開始降低直到閉環(huán)需要的值，在誤差放大器輸出降低過程中，時(shí)間越常自然輸出超調(diào)越大電路越不容易進(jìn)入穩(wěn)定。

增加一個(gè)二極管+穩(wěn)壓管后，可以在一定程度上改善這個(gè)問題，如下圖所示，如果穩(wěn)壓管是5V的，那么在開環(huán)的時(shí)候，誤差放大器輸出被鉗位在6V左右，這樣當(dāng)進(jìn)入閉環(huán)的時(shí)候，誤差放大器輸出就不是從14V開始下降而是從6V左右，降低到閉環(huán)需要的電壓值自然需要的時(shí)間就短，電路就越容易進(jìn)入穩(wěn)定。

大家可以去看看IC內(nèi)部的誤差放大器輸出，無論IC供電電壓多少伏，誤差放大器輸出電壓的最大值應(yīng)該都不會是IC供電電壓，而是6V左右吧，不知道是不是也是基于這個(gè)原因。

5、雙環(huán)控制系統(tǒng)的切換

在設(shè)計(jì)電路中，帶有限流功能的恒壓源及帶有限壓功能的恒流源相信大家都不陌生，很多網(wǎng)友在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，有時(shí)候會采用下圖所示電路，一個(gè)穩(wěn)壓環(huán)一個(gè)穩(wěn)流環(huán)，逐漸增加負(fù)載，穩(wěn)流環(huán)輸出低電平進(jìn)入限流，當(dāng)負(fù)載減小退出限流的時(shí)候，穩(wěn)壓環(huán)需要一個(gè)切換時(shí)間，那么就出現(xiàn)了兩環(huán)路都不工作的一個(gè)空白區(qū)，在這時(shí)間內(nèi)，電路相當(dāng)于開環(huán)，對電路來說，總歸不是好事。 但如果第二個(gè)電路，就不存在這樣的問題，限流的時(shí)候，穩(wěn)流環(huán)拉低穩(wěn)壓環(huán)的基準(zhǔn)，在這個(gè)過程中，兩個(gè)環(huán)路都在工作，即使在限流過程中，突然斷開負(fù)載，由于穩(wěn)壓環(huán)一直在工作，所以在很短時(shí)間內(nèi)電路就會進(jìn)入穩(wěn)定。而不會出現(xiàn)上述電路的空白區(qū)。

6、漏感的測量

在電源變壓器設(shè)計(jì)過程中，相信大家都很清楚變壓器的漏感如何測量，很多網(wǎng)友經(jīng)常在帖子里提到，我的變壓器電感1mH漏感600uH，如果你也測量到這種情況，那么最好再確認(rèn)一下，因?yàn)槲覀冎缆└袃Υ娴哪芰渴菬o法傳遞到副邊的，如果你的變壓器參數(shù)如上所說，你想想你的變壓器的效率會有多少?還有的網(wǎng)友會納悶，自己繞的變壓器明明漏感測試的不大，為什么在應(yīng)用中會出現(xiàn)那么大的尖峰?因?yàn)樵趯?shí)際工作中，不僅僅變壓器的漏感在起作用，你的布線電感也在起作用。

正確的測試漏感的方法應(yīng)該是其余器件先不焊，將變壓器首先焊接在PCB上，然后用粗短線將MOS管，輸出整流二極管短接，將輸出濾波電容短接，從輸入濾波電容測量進(jìn)去得到的是輸入的漏感。將輸入濾波電容短接，從輸出濾波電容測量進(jìn)入，得到的是輸出端的漏感，這樣的測試方法考慮了PCB的分布電感，更接近實(shí)際的情況。

7、MOS管的驅(qū)動

借用一個(gè)圖，這個(gè)圖是過欠壓、過流保護(hù)的電路，分別通過兩個(gè)光耦控制驅(qū)動信號，正常情況下光耦導(dǎo)通，MOS管導(dǎo)通，出現(xiàn)異常后光耦切斷，MOS管斷開，這個(gè)圖至少有兩個(gè)明顯的錯(cuò)誤，大家看看在哪里。(R6R7為1k，R25R26為10k)

8、反饋電路中兩個(gè)電阻的選擇依據(jù)

以384X電路為例，常用的光藕隔離反饋電路接法有兩種，一種是將2腳接地，光藕4腳接1腳，通過拉低1腳的電平來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

有的人覺得這種方式不合理，會采用下圖的方式，這種方式也是一樣的道理，這里以下圖為例說明電阻R5及R6的選擇。

電路中，R7、R8接成比例放大，放大倍數(shù)為1，也就是R7=R8，電容C2主要起濾波作用，我一般選擇的很小100P。如果電流采樣信號在0-1V范圍內(nèi)，電路都正常工作，對應(yīng)COMP端電壓，就是就是1V--4.4V(內(nèi)部二極管壓降認(rèn)為0.7V，1V為PDF提供的最低工作電壓)那么折算到R6上電壓應(yīng)該能在0.6V--4V變化。如果光藕傳輸比為β，則可以得到下面的式子 4≤R6*(V0-2.5-1.1)*β/R5

也就是說，當(dāng)光藕原邊流過最大電流的時(shí)候，副邊電流在R6上的壓降應(yīng)不小于4V。至于R5的選擇，我在另一個(gè)帖子提到，一般光偶原邊電流控制在5mA即可，這樣就可以選擇R6的值。

9、小功率反激類電源的調(diào)試

小功率反激類輸出電源，對于經(jīng)常設(shè)計(jì)的人來說，基本都是空載或輕載直接上電，由于 已經(jīng)輕車熟路，所以基本不會有什么問題，主要問題在于參數(shù)的優(yōu)化。但對于菜鳥或新手來說，有時(shí)候電路原理還不是很明了，想通過動手來加強(qiáng)印象，如果自己做出來的電源直接上電，估計(jì)炸機(jī)的可能性會超過一半，所以還是循序漸進(jìn)好一些。首先，單獨(dú)給控制IC供電，看看IC工作是否正常，主要看頻率及MOS管的驅(qū)動信號，如果單獨(dú)供電，IC都工作不正常的話，你如果直接上電后果是什么不用說了吧?IC單獨(dú)供電正常后，我一般都是找一個(gè)帶限流功能的直流輸出電源給自己設(shè)計(jì)的電源供電，然后空載上電，看輸出電壓是否正常，由于直流輸出電源帶限流功能，所以即使存在問題也是供電電源限流保護(hù)，空載輸出電壓正常再逐漸加載。如果沒有帶限流功能的直流電源，我的意見也不要貿(mào)然直接加交流，可以在交流輸入端串聯(lián)一個(gè)白熾燈做限流功能，然后看空載是否正常，如果正常后再將白熾燈去掉加交流，這樣會安全一些。

10、交叉調(diào)整率是如何產(chǎn)生的

上面這個(gè)圖，如果沒有R及L，就是一個(gè)很普通的反激電路輸出整流的兩個(gè)繞組，在這里，R為變壓器及布線部分的直流阻抗，L為變壓器繞組的漏感，N1N2就是理想的變壓器繞組了。對于理想的變壓器繞組，繞組電壓正比于匝比，也即是如果5匝繞組輸出5V，那么10匝繞組輸出就是10V。

如果第一個(gè)繞組是穩(wěn)壓5V輸出的，在空載情況下，繞組基本沒有電流，R1、L1上壓降可以不考慮，二極管壓降為電流是零時(shí)候的壓降值。這個(gè)時(shí)候N1繞組電壓可以認(rèn)為是輸出電壓5V+二極管壓降0.4V。那么10匝繞組的電壓就是2*(5+0.4)=10.8V，繞組空載的時(shí)候，輸出電壓為10.4V，隨著第二個(gè)繞組帶載電流增大，電阻R2及L2上壓降增加，二極管V2壓降也增加，那么C2上電壓逐漸開始降低，這個(gè)電壓的變化為N2繞組的負(fù)載調(diào)整率，而不是交叉調(diào)整率。

在輔繞組負(fù)載不變的情況下，如果主繞組帶載變化，隨著電流的增加，R1、L1及V1的壓降都會增加，從而引起N1繞組電壓的增加(因?yàn)橐ＷCC1上電壓不變)。假設(shè)主繞組帶載后N1繞組電壓由原來的5.4V變成了6V.那么N2繞組的電壓將變成12V，輸出電容C2上的電壓就會變成11.6V，這個(gè)由于主繞組帶載而引起的輔繞組電壓由10.4V變成了11.6V的情況，就是交叉調(diào)整率。