工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（五）

牽涉到開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)或分析成為電子工程師的心頭之痛已是不爭的事實(shí)，推出《工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)》系列五和工程師們一起分享，請(qǐng)各位繼續(xù)關(guān)注后續(xù)章節(jié)。

　　一、開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)分析

　　1 引言

　　電磁兼容是一門新興的跨學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科。作為邊緣技術(shù)，它以電氣和無線電技術(shù)的基本理論為基礎(chǔ)，并涉及許多新的技術(shù)領(lǐng)域，如微波技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新材料等。電磁兼容技術(shù)應(yīng)用的范圍很廣，幾乎所有現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域，如電力、通信、交通、航天、軍工、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療等都必須解決電磁兼容問題。其研究的熱點(diǎn)內(nèi)容主要有：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應(yīng)、電磁干擾的抑制技術(shù)、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、電磁兼容性的測量與試驗(yàn)技術(shù)、電磁泄漏與靜電放電等。

　　電磁兼容的英文名稱為Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC。所謂電磁兼容是指設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思，即它工作中產(chǎn)生的電磁輻射要限制在一定水平內(nèi)，另外它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設(shè)備研制中所必須解決的兼容問題。電磁兼容技術(shù)涉及的頻率范圍寬達(dá)0 GHz ~400GHz，研究對(duì)象除傳統(tǒng)設(shè)備外，還涉及芯片級(jí)，直到各種艦船、航天飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈甚至整個(gè)地球的電磁環(huán)境。

　　電磁兼容三要素是干擾源（騷擾源）、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項(xiàng)都可解決電磁兼容問題，電磁兼容的解決常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波。

　　2 電磁兼容技術(shù)名詞

　?。?）電磁兼容性

　　電磁兼容性是指設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

　?。?）電磁騷擾

　　電磁騷擾是指任何可能引起設(shè)備、裝備或系統(tǒng)性能降低或者對(duì)有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可引起設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過公共地線阻抗/內(nèi)阻的耦合、沿電源線傳導(dǎo)的電磁騷擾和輻射干擾等。電子系統(tǒng)受干擾的路徑為：經(jīng)過電源，通過信號(hào)線或控制電纜、場滲透，經(jīng)過天線直接進(jìn)入；通過電纜耦合，從其他設(shè)備來的傳導(dǎo)干擾；電子系統(tǒng)內(nèi)部場耦合；其他設(shè)備的輻射干擾；電子設(shè)備外部耦合到內(nèi)部場；寬帶發(fā)射機(jī)天線系統(tǒng)；外部環(huán)境場等。

　?。?）電磁環(huán)境

　　電磁環(huán)境是一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號(hào)疊加或組合。

　?。?）電磁輻射

　　電磁輻射是指電磁波由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象。“電磁輻射”一詞的含義有時(shí)也可引申，將電磁感應(yīng)現(xiàn)象也包含在內(nèi)。RFI/EMI可以通過任何一種設(shè)備機(jī)殼的開口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板以及機(jī)殼的非理想連接面等進(jìn)行輻射。RFI/EMI也可由進(jìn)入敏感設(shè)備的導(dǎo)線和電纜進(jìn)行輻射，任何一個(gè)良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。

　?。?）脈沖

　　脈沖是指在短時(shí)間內(nèi)突變，隨后又迅速返回至其初始值的物理量。

　　（6）共模干擾和差模干擾

　　電源線上的干擾有共模干擾和差模干擾兩種方式。共模干擾存在于電源任何一相對(duì)大地或電線對(duì)大地之間。共模干擾有時(shí)也稱縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾。這是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾。差模干擾存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導(dǎo)體之間的干擾。共模干擾提示了干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路。通常這兩種干擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，所以情況十分復(fù)雜。干擾經(jīng)長距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大，這是因?yàn)榫€間阻抗與線-地阻抗不同的緣故。出于同一原因，共模干擾在線路傳輸中還會(huì)向鄰近空間輻射，而差模則不會(huì)，因此共模干擾比差模更容易造成電磁干擾。不同的干擾方式要采取不同的干擾抑制方法才有效。判斷干擾方法的簡便方法是采用電流探頭。電流探頭先單獨(dú)環(huán)繞每根導(dǎo)線，得出單根導(dǎo)線的感應(yīng)值，然后再環(huán)繞兩根導(dǎo)線（其中一根是地線），探測其感應(yīng)情況。如感應(yīng)值是增加的，則線路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。

　?。?）抗擾度電平和敏感性電平

　　抗擾度電平是指將某給定的電磁騷擾施加于某一裝置、設(shè)備或者系統(tǒng)并使其仍然能夠正常工作且保持所需性能等級(jí)時(shí)的最大騷擾電平。也就是說，超過此電平時(shí)該裝置、設(shè)備或者系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)性能降低。而敏感性電平是指剛剛開始出現(xiàn)性能降低的電平。所以，對(duì)某一裝置、設(shè)備或者系統(tǒng)而言，抗擾度電平與敏感性電平是同一數(shù)值。

　　（8）抗擾度裕量

　　抗擾度裕量是指裝備、設(shè)備或者系統(tǒng)的抗擾度電平限值與電磁兼容電平之間的插值。

　　3 開關(guān)電源的電磁兼容性

　　開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)工作狀態(tài)下，引起電磁兼容性問題的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。從整機(jī)的電磁性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合及電磁波耦合幾種。共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過該阻抗使騷擾信號(hào)進(jìn)入受騷擾體。線間耦合主要是產(chǎn)生騷擾電壓及騷擾電流的導(dǎo)線或PCB線因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生感應(yīng)電場對(duì)受騷擾體產(chǎn)生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，產(chǎn)生的低頻磁場對(duì)騷擾對(duì)象產(chǎn)生的耦合。電磁場耦合主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波通過空間向外輻射，對(duì)相應(yīng)的受騷擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能嚴(yán)格區(qū)分的，只是側(cè)重點(diǎn)不同而已。

　　在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號(hào)含有豐富的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1000次以上。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關(guān)二極管，也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個(gè)重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻震蕩。整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻騷擾最容易通過直流輸出線傳出。開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時(shí)，為了提高電路的效率及可靠性，減少功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大的降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁騷擾。但是，軟開關(guān)無損吸收電路多數(shù)利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換，因此，該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。

　　開關(guān)電源一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L、C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)差模及共模騷擾信號(hào)的濾波。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號(hào)穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號(hào)頻率的上升，引線電感的作用導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導(dǎo)致電容器參數(shù)改變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個(gè)原因。

　　4 電磁兼容性的解決方法

　　從電磁兼容的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，可從三個(gè)方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號(hào)；第二，切斷騷擾信號(hào)的傳播途徑；第三，增強(qiáng)受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時(shí)，可以綜合利用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。因而，開關(guān)電源產(chǎn)生的對(duì)外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)騷擾、電磁場輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來解決。一方面，可以增強(qiáng)輸入/輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善APFC電路的性能，減小開關(guān)管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降?；另一方面，加?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對(duì)外部的抗騷擾能力（如浪涌、雷擊）應(yīng)優(yōu)化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對(duì)1.2/50µs開路電壓及8/20µs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對(duì)于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離來解決或選用具有抗靜電騷擾的器件。快速瞬變信號(hào)含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用與防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波（加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來提高系統(tǒng)的抗擾性能。

　　減小開關(guān)電源的內(nèi)部騷擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：①注意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū)；②數(shù)字電路與模擬電路電源的去耦；③數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線時(shí)注意相鄰線間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_，減小輸出整流回路及續(xù)流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運(yùn)用諧振頻率高的濾波電容器等。

　　5 濾波器結(jié)構(gòu)

　　濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)對(duì)傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100 mH -700mH，Cd取1µF -10µF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。

　　所有電源濾波器都必須接地（廠家特別說明允許不接地的除外），因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須在接地時(shí)才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。

　　濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。

　　如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，則可以抑制差模噪聲。如果把多個(gè)電容并聯(lián)，則效果會(huì)更好。

　　幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2（a）中，阻抗Z=1/（ωC1），高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián)，其濾波效果更好。圖2（b）中，噪聲能通過電容旁路到地線上，這種濾波器連接時(shí)應(yīng)使接地阻抗盡量小。圖2（c）中，C1、C2對(duì)不對(duì)稱噪聲有良好的濾波效果，C3對(duì)對(duì)稱噪聲有良好的濾波效果，連接時(shí)應(yīng)使電容器的引線及接地線盡量短。圖2（d）為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1則對(duì)噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)L1、L2采用共模電感結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)對(duì)稱和非對(duì)稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2（e）適用于共模噪聲進(jìn)行濾波，應(yīng)注意的是其接地阻抗同樣應(yīng)盡量小。

　　圖3是對(duì)共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應(yīng)選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22µF -0.47µF。L3為共模電感，對(duì)共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。

　　6 EMI濾波器選用與安裝

　　開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標(biāo)“x”和“y”，不僅說明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級(jí)。無論是選用還是設(shè)計(jì)EMI濾波器，都要認(rèn)真的考慮Cx和Cy的安全等級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，Cx電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會(huì)疊加L和N之間存在的EMI信號(hào)峰值電壓。因此，要根據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場合和可能存在的EMI信號(hào)峰值，正確選用適合安全等級(jí)的Cx電容器。Cy電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼（E）之間的，對(duì)于220V、50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全裕量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。

　　EMI濾波器是具有互異性的，即把負(fù)載接在電源端還是負(fù)載端均可。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號(hào)的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當(dāng)EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時(shí)，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時(shí)，EMI信號(hào)會(huì)在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對(duì)EMI信號(hào)的衰減。其信號(hào)的衰減A與反射Γ的關(guān)系為：A=–10Lg（1-|Γ|2）。

　　在使用開關(guān)電源濾波器時(shí)，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時(shí)，要特別注意濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號(hào)很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將大大降低濾波器的抑制效果。

　　7 結(jié)語

　　在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。

二、開關(guān)電源的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

　　引言

　　眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益，且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時(shí)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會(huì)存在不穩(wěn)定的可能性。因此幾乎所有的開關(guān)電源都有一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而能獲得較好的性能。在負(fù)反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以內(nèi)，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)中這種情況是不會(huì)存在的，由于各種各樣的開關(guān)延時(shí)和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環(huán)路補(bǔ)償，這類相移同樣會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源的不穩(wěn)定。

　　1 穩(wěn)定性指標(biāo)

　　衡量開關(guān)電源穩(wěn)定性的指標(biāo)是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的相位。增益裕度是指：相位為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益大?。▽?shí)際是衰減）。在實(shí)際設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，只在設(shè)計(jì)反激變換器時(shí)才考慮增益裕度，設(shè)計(jì)其它變換器時(shí)，一般不使用增益裕度。

　　在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，相位裕度有兩個(gè)相互獨(dú)立作用：一是可以阻尼變換器在負(fù)載階躍變化時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程；另一個(gè)作用是當(dāng)元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。相位裕度只能用來保證“小信號(hào)穩(wěn)定”。在負(fù)載階躍變化時(shí)，電源不可避免要進(jìn)入“大信號(hào)穩(wěn)定”范圍。工程中我們認(rèn)為在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數(shù)變化和誤差情況下，這個(gè)相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負(fù)載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負(fù)載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應(yīng)大于30°。

　　如圖l所示為開關(guān)電源控制方框示意圖，開關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成。

　　（1）功率變換器部分，主要包含方波驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器；

　　（2）脈沖寬度調(diào)節(jié)部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大；

　?。?）采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大（如TL431）、誤差放大傳輸（如光電耦合器）和PWM集成電路內(nèi)部集成的電壓比較器（這些放大器的補(bǔ)償設(shè)計(jì)最大程度的決定著開關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)）。

　　2 穩(wěn)定性分析

　　如圖1所示，假如在節(jié)點(diǎn)A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測到真實(shí)系統(tǒng)對(duì)不斷增大的諧波有響應(yīng)，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l且總的額外相移為180°（此相移加上原先設(shè)定的180°相移，總相移量為360°），那么將會(huì)有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統(tǒng)在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會(huì)采用反饋補(bǔ)償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開關(guān)電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

　　波特圖對(duì)應(yīng)于小信號(hào)（理論上的小信號(hào)是無限小的）擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)；但是如果擾動(dòng)很大，系統(tǒng)的響應(yīng)可能不是由反饋的線性部分決定的，而可能是由非線性部分決定的，如運(yùn)放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達(dá)到的最小、最大占空比等。當(dāng)這些因素影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)，原來的系統(tǒng)就會(huì)表現(xiàn)為非線性，而且傳遞函數(shù)的方法就不能繼續(xù)使用了。因此，雖然小信號(hào)穩(wěn)定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此，在設(shè)計(jì)電源環(huán)路補(bǔ)償時(shí)，不但要考慮信號(hào)電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性，還要處理好電源系統(tǒng)的大信號(hào)響應(yīng)特性。電源系統(tǒng)對(duì)大信號(hào)響應(yīng)特性的優(yōu)劣可以通過負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來判斷，負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性存在很強(qiáng)的連帶關(guān)系，負(fù)載躍變響應(yīng)特性好，則輸入電壓躍變響應(yīng)特性一定好。

　　對(duì)開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的，這是因?yàn)閭鬟f函數(shù)隨著負(fù)載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會(huì)隨著負(fù)載電流而改變。此外，在考慮大信號(hào)瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式，此時(shí)僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細(xì)介紹通過對(duì)負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析來判斷開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性。

　　3 穩(wěn)定性測試

　　測試條件：

　　（1）無感電阻；

　?。?）負(fù)載變化幅度為10％~100％；

　　（3）負(fù)載開關(guān)頻率可調(diào)（在獲得同樣理想響應(yīng)波形的條件下，開關(guān)頻率越高越好）；

　?。?）限定負(fù)載開關(guān)電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒有聲明負(fù)載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應(yīng)曲線圖形無任何意義。

　　圖3（a）為瞬變負(fù)載波形。

　　圖3（b）為阻尼響應(yīng)，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種響應(yīng)電源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定條件下才能穩(wěn)定。因此，要盡量避免這種類型的響應(yīng)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該調(diào)整在稍低的頻率下滑離。

　　圖3（c）為過阻尼響應(yīng)，雖然比較穩(wěn)定，但是瞬態(tài)恢復(fù)性能并非最好。滑離頻率應(yīng)該增大。

　　圖3（d）為理想響應(yīng)波形，接近最優(yōu)情況，在絕大多數(shù)應(yīng)用中，瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。[!--empirenews.page--]

　　對(duì)于正向和負(fù)向尖峰，對(duì)稱的波形是同樣需要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內(nèi)有中心線，且在負(fù)載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的。

　　上面介紹了開關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過波特圖判定小信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號(hào)下開關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。下面介紹四種控制環(huán)路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法。

　　4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法

　　4．1 分析法

　　根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的理論、數(shù)學(xué)及電路模型進(jìn)行分析（計(jì)算機(jī)仿真）。實(shí)際上進(jìn)行總體分析時(shí)，要求所有的參數(shù)要精確地等于規(guī)定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個(gè)電流變化范圍內(nèi)，電感值不可能保持常數(shù)。同樣，能改變系統(tǒng)線性工作的較大瞬態(tài)響應(yīng)也是很難預(yù)料到的。

　　4．2 試探法

　　首先測量好脈寬調(diào)整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術(shù)”來確定補(bǔ)償控制放大器所必須具有的特性。

　　要想使實(shí)際的放大器完全滿足最優(yōu)特性是不大可能的，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能地接近。具體步驟如下：

　?。?）找到開環(huán)曲線中極點(diǎn)過零處所對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入零點(diǎn)，那么在直到等于穿越頻率的范圍內(nèi)相移小于315°（相位裕度至少為45°）；

　?。?）找到開環(huán)曲線中EsR零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入極點(diǎn)（否則這些零點(diǎn)將使增益特性變平，且不能按照期望下降）；

　　（3）如果低頻增益太低，無法得到期望的直流校正那么可以引入一對(duì)零極點(diǎn)以提高低頻下的增益。

　　大多數(shù)情況下，需要進(jìn)行“微調(diào)”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負(fù)載測量法。

　　4. 3 經(jīng)驗(yàn)法

　　采用這種方法，是控制環(huán)路采用具有低頻主導(dǎo)極點(diǎn)的過補(bǔ)償控制放大器組成閉環(huán)來獲得初始穩(wěn)定性。然后采用瞬時(shí)脈沖負(fù)載方法來補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，這種方法快而有效。其缺點(diǎn)是無法確定性能的最優(yōu)。

　　4．4 計(jì)算和測量結(jié)合方法

　　綜合以上三點(diǎn)，主要取決于設(shè)計(jì)人員的技能和經(jīng)驗(yàn)。

　　對(duì)于用上述方法設(shè)計(jì)完成的電源可以用下列方法測量閉環(huán)開關(guān)電源系統(tǒng)的波特圖，測量步驟如下。

　　如圖4所示為測量閉環(huán)電源系統(tǒng)波特圖的增益和相位時(shí)采用的一個(gè)常用方法，此方法的特點(diǎn)是無需改動(dòng)原線路。

　　如圖4所示，振蕩器通過變壓器T1引入一個(gè)很小的串聯(lián)型電壓V3至環(huán)路。流入控制放大器的有效交流電壓由電壓表V1測量，輸出端的交流電壓則由電壓表V2測量（電容器C1和C2起隔直流電流的作用）。V2/V1（以分貝形式）為系統(tǒng)的電壓增益。相位差就是整個(gè)環(huán)路的相移（在考慮到固定的180°負(fù)反饋反相位之后）。

　　輸入信號(hào)電平必須足夠小，以使全部控制環(huán)路都在其正常的線性范圍內(nèi)工作。

　　4．5 測量設(shè)備

　　波特圖的測量設(shè)備如下：

　?。?）一個(gè)可調(diào)頻率的振蕩器V3，頻率范圍從10Hz（或更低）到50kHz（或更高）；

　?。?）兩個(gè)窄帶且可選擇顯示峰值或有效值的電壓表V1和V2，其適用頻率與振蕩器頻率范圍相同；

　?。?）專業(yè)的增益及相位測量儀表。

　　測試點(diǎn)的選擇：理論上講，可以在環(huán)路的任意點(diǎn)上進(jìn)行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度，信號(hào)注入節(jié)點(diǎn)的選擇時(shí)必須兼顧兩點(diǎn)：電源阻抗較低且下一級(jí)的輸入阻抗較高。而且，必須有一個(gè)單一的信號(hào)通道。實(shí)踐中，一般可把測量變壓器接入到圖4或圖5控制環(huán)路中接入測量變壓器的位置。

　　圖4中T1的位置滿足了上述的標(biāo)準(zhǔn)。電源阻抗（在信號(hào)注入的方向上）是電源部分的低輸出阻抗，而下一級(jí)的輸入阻抗是控制放大器A1的高輸入阻抗。圖5中信號(hào)注入的第二個(gè)位置也同樣滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，它位于圖5中低輸出的放大器A1和高輸入阻抗的脈寬調(diào)制器之間。

　5 最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　無論是國外還是國內(nèi)DC／DC電源線路的設(shè)計(jì)，就隔離方式來講都可歸結(jié)為兩種最基本的形式：前置啟動(dòng)+前置PWM控制和后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖6和圖7所示。

　　國內(nèi)外DC／DC電源設(shè)計(jì)大多采用前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式，后級(jí)以開關(guān)形式將采樣比較的誤差信號(hào)通過光電耦合器件隔離傳輸?shù)角凹?jí)PWM電路進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體DC／DC電源穩(wěn)壓控制。如圖6所示，前置啟動(dòng)+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→輸出穩(wěn)壓。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等產(chǎn)品都屬于此種控制方式。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要集中在如下各部分：[!--empirenews.page--]

　　（1）以集成電路U2為核心的采樣、比較電路的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)；

　?。?）以前置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)；

　?。?）輸出濾波器設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)僅供參考；

　?。?）其它部分如功率管驅(qū)動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮。

　　而如圖7所示，后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩(wěn)定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調(diào)寬→隔離驅(qū)動(dòng)→輸出穩(wěn)壓。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源產(chǎn)品就環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要集中在如下各部分：

　?。?）以后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器為核心的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)；

　?。?）輸出濾波器設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)僅供參考。

　?。?）其它部分如隔離啟動(dòng)、主功率變壓器等，在隔離式電源環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)可以不必考慮。

　　比較圖6和圖7控制方式和環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償設(shè)計(jì)可知，圖7后置隔離啟動(dòng)+后置PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)如下：

　?。?）減少了后級(jí)采樣、比較、放大和光電耦合，控制環(huán)路簡捷；

　?。?）只需對(duì)后置PWM集成電路內(nèi)部電壓比較器進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，控制環(huán)路的響應(yīng)頻率較寬；

　?。?）相位裕度大；

　　（4）負(fù)載瞬態(tài)特性好；

　?。?）輸入瞬態(tài)特性好；

　　（6）抗輻照能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明光電耦合器件即使進(jìn)行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會(huì)大于2x104Rad（Si），不適合航天電源高可靠、長壽命的應(yīng)用要求。

　　6 結(jié)語

　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)重點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是磁路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決的是輸出電壓的品質(zhì)問題。開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的好壞直接決定著開關(guān)電源啟動(dòng)特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負(fù)載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。將上述開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法和結(jié)論應(yīng)用到開關(guān)電源的研發(fā)工作中去，定能事半功倍。

　　三、大功率開關(guān)電源散熱設(shè)計(jì)原理

　　1、散熱的原因

　　電子產(chǎn)品的芯片的高度集成，功能要求越來越多，體積要求越來越小。今天的元器件得以快速地向小型化。高功能。與高效率發(fā)展。高性能的元器件在高速度運(yùn)行下會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量必須立即去除以保證元器件能在正常工作溫度下以最高效率運(yùn)行。因此熱傳導(dǎo)相關(guān)技術(shù)隨著電子工業(yè)的發(fā)展不斷地受到挑戰(zhàn)。

　　例如：電腦出現(xiàn)當(dāng)機(jī)現(xiàn)象、LED散熱不良會(huì)引起光衰等等、

　　2、散熱材料種類：

　　金、銀、鐵、銅、鋁、鋁合金、硅膠片、等

　　3、散熱原理

　　A 散熱器的散熱形式主要有輻射和對(duì)流兩種形式。

　　輻射換熱：熱能用輻射形式傳播，不需要借助任何介質(zhì)，可以在真空狀態(tài)下傳播，比如太陽的熱能經(jīng)過宇宙?zhèn)鞯降厍蛏稀?/span>

　　對(duì)流換熱：通過空氣或其他介質(zhì)傳播熱能，比如對(duì)流散熱器將空氣加熱。空氣將房間內(nèi)一切物品加熱，對(duì)六器主要依靠空氣運(yùn)動(dòng)傳播熱能。

　　傳統(tǒng)意義上所稱的輻射散熱器，是指輻射散熱器在總散熱量中占相對(duì)份額的散熱器，目前通常最典型的輻射散熱器如鑄鐵、鋼制柱式散熱器、銅鋁復(fù)合散熱器等等，其中依靠輻射作用所傳播的熱能只占30%，另外70%熱能是以對(duì)流式傳播的。而對(duì)流散熱器是基本無輻射換熱（或極?。┑纳崞鳎绶鹑鸬裸~管對(duì)流散熱器，銅管對(duì)流散熱器利用熱空氣輕，向上流動(dòng)的原理，空氣循環(huán)達(dá)到全房間的升溫，比輻射式的散熱器更加舒適、升溫更快。

　　B、 散熱的方式有 輻射散熱 傳導(dǎo)散熱 對(duì)流散熱 蒸發(fā)散熱

　　機(jī)體各組織器官產(chǎn)生的熱量，隨著血液循環(huán)均勻地分布于全身各部。當(dāng)血液流經(jīng)皮膚血管時(shí)，全部熱量的90%由皮膚散出，因此皮膚是人體散熱的主要部位。還有一小部分熱量，通過肺、腎和消化道等途徑，隨著呼吸、尿和糞便散出體外。

　?。ㄒ唬┥岬姆绞?mdash;—主要是物理方式

　　1.輻射 輻射是指機(jī)體以發(fā)射紅外線方式來散熱。當(dāng)皮膚溫高于環(huán)境溫度時(shí)，機(jī)體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環(huán)境溫度和機(jī)體有效輻射面積等因素有關(guān)。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當(dāng)然，如果環(huán)境溫度高于皮膚溫，機(jī)體就會(huì)吸收輻射熱。煉鋼工人在爐前作業(yè)，炎熱的夏季農(nóng)民在日照下田間勞動(dòng)也會(huì)遇到這種情況。

　　2.傳導(dǎo)與對(duì)流 傳導(dǎo)就是機(jī)體通過傳遞分子動(dòng)能的方式散發(fā)熱量。當(dāng)人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時(shí)，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個(gè)原理。

　　C、 散熱器與環(huán)境的熱交換

　　當(dāng)熱量傳到散熱器的頂部后，就需要盡快地將傳來的熱量散發(fā)到周邊環(huán)境中去，對(duì)風(fēng)冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進(jìn)行熱交換。這時(shí)，熱量是在兩種不同介質(zhì)間傳遞，所依循的公式為Q=α X A X ΔT，其中ΔT為兩種介質(zhì)間的溫差，即散熱器與周圍環(huán)境空氣的溫度差；而α為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，在散熱片材質(zhì)和空氣成分確定后，它就是一個(gè)固定值；其中最重要的A是散熱片和空氣的接觸面積，在其他條件不變的前提下，如散熱器的體積一般都會(huì)有所限制，機(jī)箱內(nèi)的空間有限，過大會(huì)加大安裝的難度，而通過改變散熱器的形狀，增大其與空氣的接觸面積，增加熱交換面積，是提高散熱效率的有效手段。、要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一般通過用鰭片式設(shè)計(jì)輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來增大表面積。

　　當(dāng)熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會(huì)急速上升，這時(shí)候，熱空氣應(yīng)該盡可能和周圍的冷空氣通過對(duì)流等熱交換方式來將熱量帶走，對(duì)風(fēng)冷散熱器來說，最主要的手段便是提高空氣流動(dòng)的速度，使用風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流。這點(diǎn)主要和風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和風(fēng)速有關(guān)，散熱器風(fēng)扇的效能（例如流量、風(fēng)壓）主要取決于風(fēng)扇扇葉直徑、軸向長度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和扇葉形狀。風(fēng)扇的流量大都采用 CFM為單位（英制，立方英尺/分鐘），一個(gè)CFM大約為0.028mm3/分鐘的流量。

　　純鋁散熱器

　　純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術(shù)，而評(píng)價(jià)一款純鋁散熱器的主要指標(biāo)是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，F(xiàn)in是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度（不含底座厚度）除以Fin，Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術(shù)越先進(jìn)。

　　純銅散熱器

　　銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質(zhì)地是個(gè)問題，很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實(shí)并非是真正的100％的銅。在銅的列表中，含銅量超過99％的被稱為無酸素銅，下一個(gè)檔次的銅為含銅量為85％以下的丹銅。目前市場上大多數(shù)的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質(zhì)純銅散熱器的含銅量甚至連85％都不到，雖然成本很低，但其熱傳導(dǎo)能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點(diǎn)，成本高，加工難，散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機(jī)械加工（如剖溝等）性能不如鋁；銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，不利于擠壓成形（ ExtrusiON ）等等問題。

　　雖然，目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金，鋁合金容易加工，成本低，是應(yīng)用最多的材料，而銅較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，使得其瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。因此，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個(gè)致命的缺陷：由于只使用一種材質(zhì)，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無法很好地均衡熱傳導(dǎo)能力和熱容量能力兩個(gè)方面的要求，在散熱要求較高的場合便未免有些力不從心了。

　　銅鋁結(jié)合技術(shù)

　　在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點(diǎn)后，目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當(dāng)然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲(chǔ)熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個(gè)均衡點(diǎn)。

　　熱量從CPU核心散發(fā)到散熱片表面，是一個(gè)熱傳導(dǎo)過程。對(duì)于散熱片的底座而言，由于直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導(dǎo)開來。散熱片選用較高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料對(duì)提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。通過熱傳導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)照表可以看出，如鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)237W/mK，銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)則為401W/mK，而比較同樣體積的散熱器，銅的重量是鋁的3倍，而鋁的比熱僅為銅的2.3倍，所以相同體積下，銅質(zhì)散熱器可以比鋁質(zhì)散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。

　　不過，這兩種金屬的結(jié)合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會(huì)產(chǎn)生較大的介面熱阻（即兩種金屬之間由于不充分接觸而產(chǎn)生的熱阻）。在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚(yáng)長避短，往往這也體現(xiàn)了廠商的設(shè)計(jì)能力與制造工藝。

　　4、導(dǎo)熱媒介-導(dǎo)熱硅膠。

　　a、什么是熱阻？

　　所謂“熱阻”（thermal resiSTance），是指反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。熱阻的概念與電阻非常類似，單位也與之相仿——℃/W，即物體持續(xù)傳熱功率為1W時(shí)，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。

　　b、空氣在自然界中的熱阻最大，其數(shù)值接近0.03W/mK；

　　c、填充發(fā)熱體和金屬散熱片之間的縫隙，減少空氣，使發(fā)熱體和散熱片呈現(xiàn)直接對(duì)流散熱。

　　d、導(dǎo)熱硅膠片也可以間接散熱，即裸露在外面、所以有散熱片的叫法。

　　5、散熱模組結(jié)構(gòu)

　　最后發(fā)熱體+導(dǎo)熱硅膠+散熱片，構(gòu)成了一個(gè)散熱設(shè)計(jì)的基本三明治結(jié)構(gòu)，在整過過程中，我們都在和空氣打交道，實(shí)際上空氣層成了我們散熱學(xué)上最大的挑戰(zhàn)，不管我們是增大散熱器的面積，還是添加導(dǎo)熱介質(zhì)，都是為了除去空氣層。

四、彩電開關(guān)電源的分析

　　目前在電器中使用最多的電源就是開關(guān)穩(wěn)壓電源，彩電、平板電視、顯示器、D V D 等等，開關(guān)電源的故障率也是很高的，工作在大電流、高電壓、大功率狀態(tài)。

　　開關(guān)電源使用率高，有串聯(lián)型穩(wěn)壓電源無法媲美的優(yōu)越性

　　1 、效率高：開關(guān)型穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，因此，功耗很小，效率可大大提高，其效率通?？蛇_(dá)80%～90% 左右。

　　2、重量輕：開關(guān)型穩(wěn)壓電源常采用電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，省去了笨重的工頻變壓器。

　　3、穩(wěn)壓范圍寬：輸入交流電壓在80～260V 之間變化時(shí)，都能達(dá)到良好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的變化在2% 以下，與此同時(shí)仍保持高效率。

　　4、安全可靠：在開關(guān)型穩(wěn)壓電路中，具有各種保護(hù)電路。

　　5 、濾波電容容量?。河捎陂_關(guān)信號(hào)頻率高，濾波電容的容量大大減小。

　　6、功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低：由于晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，不需采用大散熱器，機(jī)內(nèi)溫升低，因此整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性也得到一定程度提高。

　　開關(guān)電源工作狀態(tài)分析

　　開關(guān)電源按照負(fù)載與儲(chǔ)能電感的連接方式來分，通常有串聯(lián)型開關(guān)電源與并聯(lián)型開關(guān)電源大類，串聯(lián)型開關(guān)電源因電網(wǎng)電壓與主板地線不隔離的缺陷容易發(fā)生觸電事故，故目前絕大多數(shù)用并聯(lián)型開關(guān)電源，并聯(lián)開關(guān)電源主板地線不與電網(wǎng)相線相連，習(xí)慣上稱為“冷底盤電路”或稱為“冷機(jī)心”。目前用得最多的是自激式振蕩開關(guān)脈沖調(diào)寬式穩(wěn)壓電源，有些引入了行同步功能。

　　圖1 工作原理示意圖

　　圖2 波形圖

　　從圖中可以看出只要控制了開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間（也就是脈沖寬度，故叫脈寬調(diào)整）就控制了電感L1 充電時(shí)間，從而控制了負(fù)載的供電量，開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)管在截止時(shí)電感L1會(huì)產(chǎn)生很高的自感電壓，相當(dāng)于電源的整流以后電壓10陪，約有3000V左右，故要求開關(guān)管耐壓要高，且要求L1 有合適的RC 放電回路。

　　前10 年的彩電以三洋公司研發(fā)的A3電源居多，以分立元件為主，但目前的彩電是一塊IC 加一個(gè)開關(guān)管的形式，或直接就是一塊IC 厚膜的形式。

　　圖3是2007 年TCL 公司推出的2188F純平彩電的電源部分，用了一個(gè)IC ：

                                                                                  圖3

　　TDA16846 加一個(gè)開關(guān)管：場效應(yīng)管BUZ91A 的形式，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)顯得比較簡單，這電路沒用光電耦合器做反饋。

　　彩電一般的開關(guān)電源是由振蕩電路、穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路三大部分組成。

　　1、振蕩電路：開關(guān)電源振蕩電路分為晶體管振蕩電路和集成塊振蕩電路，如STR-S？？系列IC，TEA2104、TDA4601、TDA4605、TDA2261、TDA16846 等等。

　　2、穩(wěn)壓電路：開關(guān)電源的穩(wěn)壓原理均采用脈沖調(diào)寬式的穩(wěn)壓方式，即通過自動(dòng)改變開關(guān)功率管的關(guān)閉和導(dǎo)通時(shí)間的比例，或通過改變振蕩器輸出脈沖的占空比來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。穩(wěn)壓部分的電路由取樣、比較、控制三個(gè)部分組成，很多機(jī)芯此部分電路是采用IC（如SE110 等IC）和光耦件組合而成，而有些機(jī)芯則采用分立元件組成（多為國產(chǎn)機(jī)），而有些機(jī)芯采用的電源IC本身就集成了這部分電路（如部分串聯(lián)型開關(guān)電源IC）。

　　3 。保護(hù)電路：彩電開關(guān)電源都設(shè)有保護(hù)電路，其保護(hù)方式均是使電路停振。有過流保護(hù)、過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)（短路保護(hù)），還有過熱保護(hù)。過流保護(hù)電路其過流取樣點(diǎn)，大部分電視機(jī)中都是在主振功率管的發(fā)射極電位上。過壓保護(hù)電路的取樣點(diǎn)一般取自220V交流經(jīng)整流濾波后的電壓或主負(fù)載供電電壓，通過一個(gè)齊納二極管（穩(wěn)壓管）來進(jìn)行取樣判別。短路保護(hù)電路的取樣點(diǎn)一般在穩(wěn)壓電源輸出的低壓組電源上，通過一個(gè)二極管來進(jìn)行判別取樣，在IC 式開關(guān)電源中，有部分機(jī)采用的電源IC內(nèi)部有“閂鎖電路”，這個(gè)“閂鎖電路”實(shí)際上是一個(gè)保護(hù)執(zhí)行電路，各取樣點(diǎn)送來的信號(hào)，通過它執(zhí)行對(duì)電路的停振控制。

　　開關(guān)電源的檢修

　　開關(guān)電源損壞后，大多都可獨(dú)立進(jìn)行維修，將負(fù)載全部斷開，在主負(fù)載供電電源上帶一只2 2 V 、1 0 0 W 的燈泡做假負(fù)載，并采用低壓供電安全方式，即將供電電源經(jīng)一自耦式變壓器降至70V 左右進(jìn)行維修，這種維修方法完全避免了因電路存在隱患而再度損壞元件的現(xiàn)象，一般正常的開關(guān)電源（并聯(lián)式），在7 0 V 左右的供電電壓就能正常起振工作，慢慢調(diào)整自耦變壓器的輸出電壓，開關(guān)電源的輸出電壓都應(yīng)固定在其預(yù)設(shè)的電壓值上不變，如果開關(guān)電源的輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化，則表明其穩(wěn)壓部分有問題；如果沒有電壓輸出則表明震蕩電路部分有問題。

　　第一種情況：我們以并聯(lián)型光耦控制穩(wěn)壓式開關(guān)電源為例，討論一下其維修方法。當(dāng)開關(guān)電源不能正常穩(wěn)壓時(shí)，第一步是要確認(rèn)引起故障的部位，簡單快捷的方法是：將光耦件熱地端的兩控制腳短路，如果電路進(jìn)入停振狀態(tài)，則表明故障在取樣比較電路，取樣比較電路有問題多半是比較IC 和光耦損壞所致（比較IC損壞多數(shù)會(huì)引起光耦件同時(shí)損壞），如果是控制電路問題，如控制晶體管損壞，在晶體管的代換上一定要注意晶體管的參數(shù)。

　　第二種情況：電路不起振。當(dāng)確信供電電壓正常時(shí)，首先檢查啟動(dòng)電阻（即跨接在311V 電源與主振功率管基極之間的電阻）是否開路或變值，另外要考慮到不起振是否是由于保護(hù)電路動(dòng)作所引起，如S T R 6 3 0 9 的第6 腳電壓（正常為0 V ），STR50213 的第5 腳（正常時(shí)100V 左右），TEA2261 的第3 腳（正常為0V），TDA4601的第5腳等等，如果是保護(hù)電路引起停振可通過此點(diǎn)來進(jìn)行判別，另外當(dāng)控制電路有問題（如控制管擊穿）也會(huì)引起電路停振。

　　其實(shí)開關(guān)電源電路是比較簡單的電路，只要分清主振電路、保護(hù)電路和比較穩(wěn)壓電路三者的連接關(guān)系，維修起來就容易了。

　　另外，開關(guān)電源的主振功率管因其集電極是感性負(fù)載，所以在主振管工作時(shí)，其集電極將要承受8～10 倍于電源的脈沖電壓，為此在電路上加入了吸收電路（并于振蕩變壓器初級(jí)繞組的電容和電阻串聯(lián)支路）和在主振管集電極與地之間并接的電容，這些元件的作用與行輸出級(jí)的逆程電容有相似的作用，當(dāng)這些元件有問題時(shí)，極易損壞主振功率管，此點(diǎn)需引起注意，本人曾維修過一臺(tái)日立2518 的彩電，檢查發(fā)現(xiàn)其開關(guān)電源吸收電路的電容在溫度升高時(shí)，電容值會(huì)變小，從而引起經(jīng)常損壞電源主振功率管的故障，開關(guān)管擊穿后通常會(huì)把前面的限流水泥電阻燒斷。