開關(guān)電源PCB Layout技巧（二）

五、鋁基板在開關(guān)電源中的應(yīng)用和多層印制板在開關(guān)電源電路中的應(yīng)用鋁基板(金屬基散熱板(包含鋁基板，銅基板，鐵基板))是一種獨(dú)特的金屬基覆銅板，它具有良好的導(dǎo)熱性、電氣絕緣性能和機(jī)械加工性能。鋁基覆銅板是一種金屬線路板材料、由銅箔、導(dǎo)熱絕緣層及金屬基板組成，它的結(jié)構(gòu)分三層：Cireuitl.Layer線路層：相當(dāng)于普通PCB的覆銅板，線路銅箔厚度loz至10oz。DielcctricLayer絕緣層：絕緣層是一層低熱阻導(dǎo)熱絕緣材料。厚度為：0.003“至0.006”英寸是鋁基覆銅板的核心技術(shù)所在，已獲得UL認(rèn)證。BaseLayer基層是金屬基板，一般是鋁或可所選擇銅。鋁基覆銅板和傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布層壓板等，目前市場上主流的是福斯萊特鋁基板。電路層(即銅箔)通常經(jīng)過蝕刻形成印刷電路，使組件的各個部件相互連接，一般情況下，電路層要求具有很大的載流能力，從而應(yīng)使用較厚的銅箔，厚度一般35μm~280μm;導(dǎo)熱絕緣層是鋁基板核心技術(shù)之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構(gòu)成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良，具有抗熱老化的能力，能夠承受機(jī)械及熱應(yīng)力。該公司生產(chǎn)的高性能鋁基板的導(dǎo)熱絕緣層正是使用了此種技術(shù)，使其具有極為優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和高強(qiáng)度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構(gòu)件，要求具有高導(dǎo)熱性，一般是鋁板，也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導(dǎo)熱性)，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機(jī)械加工。鋁基板由其本身構(gòu)造，具有以下特點(diǎn)：導(dǎo)熱性能非常優(yōu)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。鋁基板上一般都放置貼片器件，開關(guān)管，輸出整流管通過基板把熱量傳導(dǎo)出去，熱阻很低，可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結(jié)構(gòu)，也可通過基板散熱，其溫 升比常規(guī)要低，同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結(jié)構(gòu)可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成，另外一塊板放 置控制電路，兩塊板之間通過物理連接合成一體。由于鋁基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性，在小量手工焊接時比較困難，焊料冷卻過快，容易出現(xiàn)問題現(xiàn)有一個簡單實(shí)用的方法，將一個燙衣服的普通電熨斗(最好有調(diào)溫功能)， 翻過來，熨燙面向上，固定好，溫度調(diào)到150℃左右，把鋁基板放在熨斗上面，加溫一段時間，然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接，熨斗溫度以器件易于焊接為 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(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。開啟式磁芯，良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢，有利于大批量生產(chǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。但研制開發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生。開關(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關(guān)電源的拓?fù)湫问剑谙挛闹?，非特別說明，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：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導(dǎo)通時副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時，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。正激式指在變壓器原邊導(dǎo)通同時副邊感應(yīng)出對應(yīng)電壓輸出到負(fù)載，能量通過變壓器直接傳遞。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)電路的過程中為達(dá)到最優(yōu)性價比，可以靈活運(yùn)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(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(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100瓦就沒有優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)起來有難度。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，但沒見過實(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非常關(guān)鍵的參數(shù)，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(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(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)，在一定電壓范圍內(nèi)反射電壓提高則 工作占空比增大，開關(guān)管損耗降低。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關(guān)管，如 600V或650V作為交流220V 輸入電源的開關(guān)管，也許與當(dāng)時生產(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)通損耗及開關(guān)特性，像這種線路反射電壓不能太高，否則為使 開關(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?，F(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的開關(guān)管。這兩種類型各有優(yōu)缺點(diǎn)：第一類：缺點(diǎn)抗過壓能力弱，占空比小，變壓器初級脈沖電流大。優(yōu)點(diǎn)：變壓器漏感小，電磁輻射低，紋波指標(biāo)高，開關(guān)管損耗小，轉(zhuǎn)換效率不一定比第二類低。第二類：缺點(diǎn)開關(guān)管損耗大一些，變壓器漏感大一些，紋波差一些。優(yōu)點(diǎn)：抗過壓能力強(qiáng)一些，占空比大，變壓器損耗低一些，效率高一些。六、反激電源反射電壓還有一個確定因素軍用開關(guān)電源的反射電壓還與一個參數(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，開關(guān)管承受電壓越高，有可能擊穿開關(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。在設(shè)計(jì)低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)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(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，一般常見于家電用開關(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，這兩者是一個矛盾，必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點(diǎn)，在變壓器替代實(shí)驗(yàn)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(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)中可采用初級繞組包繞次級的繞法?；蛘叽渭売萌亟^緣線繞制，取消 初次級間的絕緣物，可以增強(qiáng)耦合，甚至可采用寬銅皮繞制。反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài)，所以磁路需要開氣隙，類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開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軸表示磁場強(qiáng)度(H)此值與磁化電流強(qiáng)度成比例關(guān)系。磁路開氣隙相當(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)于磁心儲存更多的能量，此能量在開關(guān)管截止時通過變壓器次級瀉放到負(fù)載電路，反激電源磁芯 開氣隙有兩個作用。反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài)，不僅要通過磁耦合傳遞能量，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。由于制造工藝特點(diǎn)，高反壓二極管，反向恢復(fù)時間長，速度低，在電流連續(xù)狀態(tài)，二極管是在有正向偏壓時恢復(fù)，反向恢復(fù)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(zhuǎn)換效率，整流管嚴(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，損耗可以降到一個比較低的水平。反激開關(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，過分追求絕對連續(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。那么如何確定這個參數(shù)呢，通過多次實(shí)踐，及分析同行的設(shè)計(jì)，本人認(rèn)為，在標(biāo)稱電壓輸入時，輸 出達(dá)到50%~60%變壓器從斷續(xù)，過渡到連續(xù)狀態(tài)比較合適。