工程師不可不知的開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（六）

電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：牽涉到開(kāi)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(zhēng)的事實(shí)，推出《工程師不可不知的開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)》系列六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、理想24VDC-220VDC車載開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

　　摘要：為了適應(yīng)車載用電設(shè)備的需求，采用推挽逆變-高頻變壓-全橋整流方案設(shè)計(jì)了24VDC輸入-220VDC輸出、額定輸出功率600W的DC-DC變換器，并采用AP法給出了高頻推挽變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程。在詳細(xì)分析推挽逆變工作原理的基礎(chǔ)上，給出了實(shí)際設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案是一種理想的車載DC-DC變換器設(shè)計(jì)方案。

　　隨著現(xiàn)代汽車用電設(shè)備種類的增多，功率等級(jí)的增加，所需要電源的型式越來(lái)越多，包括交流電源和直流電源。這些電源均需要采用開(kāi)關(guān)變換器將蓄電池提供的+12VDC或+24VDC的直流電壓經(jīng)過(guò)DC-DC變換器提升為+220VDC或+240VDC，后級(jí)再經(jīng)過(guò)DC-AC變換器轉(zhuǎn)換為工頻交流電源或變頻調(diào)壓電源。對(duì)于前級(jí)DC-DC變換器，又包括高頻DC-AC逆變部分、高頻變壓器和AC-DC整流部分，不同的組合適應(yīng)不同的輸出功率等級(jí)，變換性能也有所不同。推挽逆變電路以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變壓器磁芯利用率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在低壓大電流輸入的中小功率場(chǎng)合；同時(shí)全橋整流電路也具有電壓利用率高、支持輸出功率較高等特點(diǎn)，因此本文采用推挽逆變-高頻變壓器-全橋整流方案，設(shè)計(jì)了24VDC輸入-220VDC 輸出、額定輸出功率600W的DC-DC變換器，并采用AP法設(shè)計(jì)相應(yīng)的推挽變壓器。

　　1、推挽逆變的工作原理

　　圖1給出了推挽逆變-高頻變壓-全橋整流DC-DC變換器的基本電路拓?fù)?。通過(guò)控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1和S2以相同的開(kāi)關(guān)頻率交替導(dǎo)通，且每個(gè)開(kāi)關(guān)管的占空比d均小于50%，留出一定死區(qū)時(shí)間以避免S1和S2同時(shí)導(dǎo)通。由前級(jí)推挽逆變將輸入直流低電壓逆變?yōu)榻涣鞲哳l低電壓，送至高頻變壓器原邊，并通過(guò)變壓器耦合，在副邊得到交流高頻高電壓，再經(jīng)過(guò)由反向快速恢復(fù)二極管FRD構(gòu)成的全橋整流、濾波后得到所期望的直流高電壓。由于開(kāi)關(guān)管可承受的反壓最小為兩倍的輸入電壓，即2UI，而電流則是額定電流，所以， 推挽電路一般用在輸入電壓較低的中小功率場(chǎng)合。

　　

　　當(dāng)S1開(kāi)通時(shí)，其漏源電壓 uDS1只是一個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降，在理想情況下可假定 uDS1=0，而此時(shí)由于在繞組中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，并且根據(jù)變壓器初級(jí)繞組的同名端關(guān)系，該感應(yīng)電壓也會(huì)疊加到關(guān)斷的S2上，從而使S2在關(guān)斷時(shí)承受的電壓是輸入電壓與感應(yīng)電壓之和約為2UI.在實(shí)際中，變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電壓加在S2 兩端，從而引起大的關(guān)斷損耗，變換器的效率因受變壓器漏感的限制，不是很高。在S1和S2 的漏極之間接上RC緩沖電路，也稱為吸收電路，用來(lái)抑制尖峰電壓的產(chǎn)生。并且為了給能量回饋提供反饋回路，在S1和S2 兩端都反并聯(lián)上續(xù)流二極管FWD。

　　2、開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)

　　采用面積乘積（AP）法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于推挽逆變工作開(kāi)關(guān)電源，原邊供電電壓UI=24V，副邊為全橋整流電路，期望輸出電壓UO=220V，輸出電流IO=3A，開(kāi)關(guān)頻率fs=25kHz，初定變壓器效率η=0.9，工作磁通密度Bw=0.3T.

　?。?）計(jì)算總視在功率PT.設(shè)反向快速恢復(fù)二極管FRD的壓降：VDF=0.6*2=1.2V

　　

　　

　　

　　

　　3、推挽逆變的問(wèn)題分析

　　3.1能量回饋

　　主電路導(dǎo)通期間，原邊電流隨時(shí)間而增加，導(dǎo)通時(shí)間由驅(qū)動(dòng)電路決定。

　　圖2（a）為S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時(shí)的等效電路，圖中箭頭為電流流向，從電源UI正極流出，經(jīng)過(guò)S1流入電源UI負(fù)極，即地，此時(shí)FWD1不導(dǎo)通；當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，S2未導(dǎo)通之前，由于原邊能量的儲(chǔ)存和漏電感的原因，S1的端電壓將升高，并通過(guò)變壓器耦合使得S2的端電壓下降，此時(shí)與S2并聯(lián)的能量恢復(fù)二極管FWD2還未導(dǎo)通，電路中并沒(méi)有電流流過(guò)，直到在變壓器原邊繞組上產(chǎn)生上正下負(fù)的感生電壓。如圖2（b）；FWD2導(dǎo)通，把反激能量反饋到電源中去，如圖2（c），箭頭指向?yàn)槟芰炕仞伒姆较颉?/p>

　　

　　3.2各點(diǎn)波形分析

　　當(dāng)某一PWN信號(hào)的下降沿來(lái)臨時(shí)，其控制的開(kāi)關(guān)元件關(guān)斷，由于原邊能量的儲(chǔ)存和漏電感的原因，漏極產(chǎn)生沖擊電壓，大于2UI，因?yàn)榧尤肓薘C緩沖電路，使其最終穩(wěn)定在2UI附近。

　　

　　當(dāng)S1的PWN 信號(hào)下降沿來(lái)臨，S1關(guān)斷，漏極產(chǎn)生較高的沖擊電壓，并使得與S2并聯(lián)的反饋能量二極管FWD2導(dǎo)通，形成能量回饋回路，此時(shí)S2漏極產(chǎn)生較高的沖擊電流，見(jiàn)圖4。

　　

　　4、實(shí)驗(yàn)與分析

　　4.1 原理設(shè)計(jì)

　　圖5為簡(jiǎn)化后的主電路。輸入24V 直流電壓，經(jīng)過(guò)大電容濾波后，接到推挽變壓器原邊的中間抽頭。變壓器原邊另外兩個(gè)抽頭分別接兩個(gè)全控型開(kāi)關(guān)器件IGBT，并在此之間加入RC吸收電路，構(gòu)成推挽逆變電路。推挽變壓器輸出端經(jīng)全橋整流，大電容濾波得到220V直流電壓。并通過(guò)分壓支路得到反饋電壓信號(hào)UOUT。

　　

　　以CA3524芯片為核心，構(gòu)成控制電路。通過(guò)調(diào)節(jié)6、7管腳間的電阻和電容值來(lái)調(diào)節(jié)全控型開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率。12、13 管腳輸出PWM脈沖信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，分別交替控制兩個(gè)全控型開(kāi)關(guān)器件。電壓反饋信號(hào)輸入芯片的1管腳，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器P2給2管腳輸入電壓反饋信號(hào)的參考電壓，并與9管腳COM端連同CA3524內(nèi)部運(yùn)放一起構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)PWM脈沖占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓220V的目的。

　　4.2 結(jié)果與分析

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，輸出電壓穩(wěn)定在220V，紋波電壓較小。最大輸出功率能達(dá)到近600W，系統(tǒng)效率基本穩(wěn)定在80%，達(dá)到預(yù)期效果。其中，由于IGBT效率損耗較大導(dǎo)致系統(tǒng)效率偏低，考慮如果采用損耗較小的MOSFET，系統(tǒng)效率會(huì)至少上升10%~15%.

　　注意事項(xiàng)：

　?。?） 變壓器初級(jí)繞組在正、反兩個(gè)方向激勵(lì)時(shí)，由于相應(yīng)的伏秒積不相等，會(huì)使磁芯的工作磁化曲線偏離原點(diǎn)，這一偏磁現(xiàn)象與開(kāi)關(guān)管的選擇有關(guān)，原因是開(kāi)關(guān)管反向恢復(fù)時(shí)間的不同》 可導(dǎo)致伏秒積的不同。

　?。?）實(shí)驗(yàn)中，隨著輸入電壓的微幅增高，系統(tǒng)損耗隨之增大，主要原因是變壓器磁芯產(chǎn)生較大的渦流損耗，系統(tǒng)效率有所下降。減小渦流損耗的措施主要有：減小感應(yīng)電勢(shì)，如采用鐵粉芯材料；增加鐵心的電阻率，如采用鐵氧體材料；加長(zhǎng)渦流所經(jīng)的路徑，如采用硅鋼片或非晶帶。

　　

　　5、結(jié)論

　　推挽電路特別適用于低壓大電流輸入的中小功率場(chǎng)合，并利用AP法設(shè)計(jì)了一種高頻推挽變壓器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明推挽逆變-高頻變壓-全橋整流的方案達(dá)到了預(yù)期的效果，使輸出電壓穩(wěn)定在220V并具有一定的輸出硬度，效率達(dá)到80%，為現(xiàn)代汽車電源的發(fā)展提供了一定的發(fā)展空間。

二、開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路的研究

　　1引言

　　評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)流、短路、缺相等保護(hù)電路。同時(shí)，在同一開(kāi)關(guān)電源電路中，設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路的相互關(guān)聯(lián)和應(yīng)注意的問(wèn)題也要引起足夠的重視。

　　2 防浪涌軟啟動(dòng)電路

　　開(kāi)關(guān)電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路，在進(jìn)線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會(huì)形成很大的浪涌電流，特別是大功率開(kāi)關(guān)電源，采用容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達(dá)100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過(guò)流損壞；輕者也會(huì)使空氣開(kāi)關(guān)合不上閘［4］。上述現(xiàn)象均會(huì)造成開(kāi)關(guān)電源無(wú)法正常工作，為此幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源都設(shè)置了防止流涌電流的軟啟動(dòng)電路，以保證電源正常而可靠運(yùn)行。防浪涌軟啟動(dòng)電路通常有晶閘管保護(hù)法和繼電器保護(hù)法兩大類。

　　（1） 晶閘管保護(hù)法

　　圖1是采用晶閘管V和限流電阻R1組成的防浪涌電流電路。在電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流橋（D1～D4）和限流電阻R1對(duì)電容器C充電，限制浪涌電流。當(dāng)電容器C充電到約80%額定電壓時(shí)，逆變器正常工作。經(jīng)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管導(dǎo)通并短路限流電阻R1，開(kāi)關(guān)電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

　　

　　圖1采用晶閘管和限流電阻組成的防浪涌電流電路

　?。?）繼電器保護(hù)法

　　

　　圖2是采用繼電器K和限流電阻R1構(gòu)成的防浪涌電流電路。電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流（D1～D4）和限流電阻R1對(duì)濾波電容器C1充電，防止接通瞬間的浪涌電流，同時(shí)輔助電源Vcc經(jīng)電阻R2對(duì)并接于繼電器K線包的電容器C2充電，當(dāng)C2上的電壓達(dá)到繼電器K的動(dòng)作電壓時(shí)，K動(dòng)作，其觸點(diǎn)K1.1閉合而旁路限流電阻R1，電源進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。限流的延遲時(shí)間取決于時(shí)間常數(shù)（R2C2），通常選取為0.3～0.5s。為了提高延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性及防止繼電器動(dòng)作抖動(dòng)振蕩，延遲電路可采用圖3所示電路替代R2C2延遲電路。

　　3 過(guò)壓、欠壓及過(guò)熱保護(hù)電路

　　進(jìn)線電源過(guò)壓及欠壓對(duì)開(kāi)關(guān)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流能力超出正常使用的范圍而損壞，同時(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。因此對(duì)輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過(guò)壓、欠壓保護(hù)以提高電源的可靠性和安全性。

　　溫度是影響電源設(shè)備可靠性的最重要因素。根據(jù)有關(guān)資料分析表明［5］，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時(shí)的工作壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6，為了避免功率器件過(guò)熱造成損壞，在開(kāi)關(guān)電源中亦需要設(shè)置過(guò)熱保護(hù)電路。

　　

　　圖4　 過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱保護(hù)電路

　　圖4是僅用一個(gè)4比較器LM339及幾個(gè)分立元器件構(gòu)成的過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱保護(hù)電路。取樣電壓可以直接從輔助控制電源整流濾波后取得，它反映輸入電源電壓的變化，比較器共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓，N1.1為欠壓比較器，N1.2為過(guò)壓比較器，調(diào)整R1可以調(diào)節(jié)過(guò)、欠壓的動(dòng)作閾值。N1.3為過(guò)熱比較器，RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與R7構(gòu)成分壓器，緊貼于功率開(kāi)關(guān)器件IGBT的表面，溫度升高時(shí)，RT阻值下降，適當(dāng)選取R7的阻值，使N1.3在設(shè)定的溫度閾值動(dòng)作。N1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機(jī)，當(dāng)其正向端輸入低電平時(shí)，比較器輸出低電平封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于4個(gè)比較器的輸出端是并聯(lián)的，無(wú)論是過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱任何一種故障發(fā)生，比較器輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電源停止工作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。如將電路稍加變動(dòng)，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　4 缺相保護(hù)電路

　　由于電網(wǎng)自身原因或電源輸入接線不可靠，開(kāi)關(guān)電源有時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺相運(yùn)行的情況，且掉相運(yùn)行不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電源處于缺相運(yùn)行時(shí)，整流橋某一臂無(wú)電流，而其它臂會(huì)嚴(yán)重過(guò)流造成損壞，同時(shí)使逆變器工作出現(xiàn)異常，因此，必須對(duì)缺相進(jìn)行保護(hù)。檢測(cè)電網(wǎng)缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測(cè)電路。由于電流互感器檢測(cè)成本高、體積大，故開(kāi)關(guān)電源中一般采用電子缺相保護(hù)電路。圖5是一個(gè)簡(jiǎn)單的缺相保護(hù)電路。三相平衡時(shí)，R1～R3結(jié)點(diǎn)H電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當(dāng)缺相時(shí)，H點(diǎn)電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進(jìn)行比較，輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。比較器的基準(zhǔn)可調(diào)，以便調(diào)節(jié)缺相動(dòng)作閾值。該缺相保護(hù)適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。

　　

　　圖5　三相四線制的缺相保護(hù)電路

　　圖6是一種用于三相三線制電源缺相保護(hù)電路，A、B、C缺任何一相，光耦器輸出電平低于比較器的反相輸入端的基準(zhǔn)電壓，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉電源。比較器輸入極性稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。這種缺相保護(hù)電路采用光耦隔離強(qiáng)電，安全可靠，RP1、RP2用于調(diào)節(jié)缺相保護(hù)動(dòng)作閾值。

　　

　　圖6 三相三線制的缺相保護(hù)電路

　　5 短路保護(hù)

　　開(kāi)關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴(yán)重的故障，短路保護(hù)是否可靠，是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的重要因素。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點(diǎn)，是目前中、大功率開(kāi)關(guān)電源最普遍使用的電力電子開(kāi)關(guān)器件［6］。IGBT能夠承受的短路時(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過(guò)大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率 過(guò)大，由于漏感及引線電感的存在，導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓，該過(guò)電壓可使IGBT鎖定失效，同時(shí)高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此，當(dāng)出現(xiàn)短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。

　　為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用IGBT過(guò)流檢測(cè)的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測(cè)過(guò)流時(shí)IGBT的電壓降Vce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏餍畔?，過(guò)流時(shí)Vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測(cè)過(guò)流時(shí)的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。

　　在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的 過(guò)大形成過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT鎖定無(wú)效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。

　　在設(shè)計(jì)降柵壓保護(hù)電路時(shí)，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降柵壓幅度大（比如7.5V），降柵壓速度不要太快，一般可采用2μs下降時(shí)間的軟降柵壓，由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免過(guò)電壓發(fā)生。

　　為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作，又能避免在原工作頻率下連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護(hù)即可不必在一次短路保護(hù)立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護(hù)方法，故障消除后即恢復(fù)正常工作。下面是幾種IGBT短路保護(hù)的實(shí)用電路及工作原理。

　　（1）利用IGBT的Vce設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路

　　

　　圖7　 采用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)

　　圖7是利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)的電路，用于專用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。含有IGBT過(guò)流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD1，通過(guò)比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除VD1正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如果發(fā)生過(guò)流，驅(qū)動(dòng)器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。

　?。?）　利用電流傳感器設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路

　　

　　圖8　利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)

　　圖8（a）是利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路，電流傳感器（SC）初級(jí)（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級(jí)感應(yīng)的過(guò)流信號(hào)經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控制器UC3525的輸出控制腳10。不過(guò)流時(shí)，VAVref，VB為高電平，C3充電使VC》Vref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路。因無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無(wú)電流流過(guò)，使VA參數(shù)，使PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉時(shí)間t2》》t1，可保證電源進(jìn)入睡眠狀態(tài)。正反饋電阻R7保證IC2只有高、低電平兩種狀態(tài)，D5，R1，C3充放電電路，保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化，即IGBT不致頻繁開(kāi)通、關(guān)斷而損壞。

　?。?）　綜合過(guò)流保護(hù)電路

　　圖9是利用IGBT（V1）過(guò)流集電極電壓檢測(cè)和電流傳感器檢測(cè)的綜合保護(hù)電路，電路工作原理是：負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過(guò)流）時(shí)，V1的Vce增大，V3門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導(dǎo)通，IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時(shí)經(jīng)R5C3延遲使V2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號(hào)。另一方面，在短路時(shí)經(jīng)電流傳感器檢測(cè)短路電流，經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導(dǎo)通進(jìn)行降柵壓，V2導(dǎo)通進(jìn)行軟關(guān)斷。

　　此外，還可以應(yīng)用檢測(cè)IGBT集電極電壓的過(guò)流保護(hù)原理，采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護(hù)技術(shù)的短路保護(hù)電路［7、8］，這里不作祥細(xì)介紹了，有興趣的讀者請(qǐng)參考文獻(xiàn)［1］。開(kāi)關(guān)電源保護(hù)功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗(yàn)收技術(shù)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

　　開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對(duì)具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

　　

　　圖9　　綜合過(guò)流保護(hù)電路

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　開(kāi)關(guān)電源保護(hù)功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗(yàn)收技術(shù)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

　　開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對(duì)具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

　　開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)完成后，必須先對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，再驗(yàn)證各種保護(hù)電路的功能。

　　三、開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的不穩(wěn)定。

　　1 穩(wěn)定性指標(biāo)

　　衡量開(kāi)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)的增益大小（實(shí)際是衰減）。在實(shí)際設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)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(guò)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(lái)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(kāi)關(guān)電源控制方框示意圖，開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成。

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

　?。?）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(kāi)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(wú)限列奇次諧波分量。如果檢測(cè)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(kāi)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(wú)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(lái)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(guò)負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來(lái)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(kāi)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(wú)法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細(xì)介紹通過(guò)對(duì)負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析來(lái)判斷開(kāi)關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性測(cè)試

　　測(cè)試條件：

　　（1）無(wú)感電阻；

　　（2）負(fù)載變化幅度為10％~100％；

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

　　（4）限定負(fù)載開(kāi)關(guān)電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒(méi)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(wú)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(shuō)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(guò)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?；x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。

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　　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(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過(guò)波特圖判定小信號(hào)下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過(guò)負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號(hào)下開(kāi)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(cè)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(lái)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(kāi)環(huán)曲線中極點(diǎn)過(guò)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(kāi)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）；

　?。?）如果低頻增益太低，無(wú)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(cè)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(guò)補(bǔ)償控制放大器組成閉環(huán)來(lái)獲得初始穩(wěn)定性。然后采用瞬時(shí)脈沖負(fù)載方法來(lái)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(wú)法確定性能的最優(yōu)。

　　4．4 計(jì)算和測(cè)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(cè)量閉環(huán)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的波特圖，測(cè)量步驟如下。

　　如圖4所示為測(cè)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(wú)需改動(dòng)原線路。

　　

　　如圖4所示，振蕩器通過(guò)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(cè)量，輸出端的交流電壓則由電壓表V2測(cè)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(cè)量設(shè)備

　　波特圖的測(cè)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；

　　（3）專業(yè)的增益及相位測(cè)量?jī)x表。

　　測(cè)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(cè)量，但是，為了獲得好的測(cè)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(cè)量變壓器接入到圖4或圖5控制環(huán)路中接入測(cè)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(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)DC／DC電源線路的設(shè)計(jì)，就隔離方式來(lái)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(guó)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(kāi)關(guān)形式將采樣比較的誤差信號(hào)通過(guò)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(guò)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：

　?。?）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；

　　（4）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(guò)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(jiǎn)捷；

　　（2）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；

　?。?）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(zhǎng)壽命的應(yīng)用要求。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　開(kāi)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(wèn)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(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的好壞直接決定著開(kāi)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(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法和結(jié)論應(yīng)用到開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)工作中去，定能事半功倍。

四、基于UC3875的全橋軟開(kāi)關(guān)直流電源設(shè)計(jì)

　　PWM是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。UCC3895是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的移相諧振全橋軟開(kāi)關(guān)控制器，該系列控制器采用了先進(jìn)的BCDMOS技術(shù)。 UCC3895在基本功能上與UC3875系列和UC3879系列控制器完全相同，同時(shí)增加了一些新的功能。

　　本文介紹了一臺(tái)采用移相諧振控制芯片UC3875作為控制核心設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率為70kHz、輸出功率1.2kW、主電路為移相全橋ZVZCS PWM軟開(kāi)關(guān)模式的直流開(kāi)關(guān)電源。

　　l 移相式ZVZCSPWM軟開(kāi)關(guān)電源主電路分析

　　在設(shè)計(jì)制作的1.2kW（480V／2.5A）的軟開(kāi)關(guān)電源中，其主電路為全橋變換器結(jié)構(gòu)，四只開(kāi)關(guān)管均為MOSFET（1000V／24A），采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS、滯后臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l，VT1～VT4是全橋變換器的四只MOSFET開(kāi)關(guān)管，VD1、VD2分別是超前臂開(kāi)關(guān)管VT1、VT2的反并超快恢復(fù)二極管，C1、C2分別是為了實(shí)現(xiàn)VTl、VT2的ZVS設(shè)置的高頻電容，VD3、VD4是反向電流阻斷二極管，以實(shí)現(xiàn)滯后臂VT3、VT4的ZCS，Llk為變壓器漏感，Cb為阻斷電容，T為主變壓器，副邊由VD5～VD8構(gòu)成的高頻整流電路以及Lf、C3、C4等濾波器件組成。

　　其基本工作原理如下：

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1、VT4或VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電路工作情況與全橋變換器的硬開(kāi)關(guān)工作模式情況一樣，主變壓器原邊向負(fù)載提供能量。通過(guò)移相控制，在關(guān)斷VT1時(shí)并不馬上關(guān)斷VT4，而是根據(jù)輸出反饋信號(hào)決定的移相角，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后再關(guān)斷VT4，在關(guān)斷VT1之前，由于VT1導(dǎo)通，其并聯(lián)電容C1上電壓等于VT1的導(dǎo)通壓降，理想狀況下其值為零，當(dāng)關(guān)斷VT1時(shí)刻，C1開(kāi)始充電，由于電容電壓不能突變，因此，VT1即是零電壓關(guān)斷。

　　

　　由于變壓器漏感L1k以及副邊整流濾波電感的作用，VT1關(guān)斷后，原邊電流不能突變，繼續(xù)給Cb充電，同時(shí)C2也通過(guò)原邊放電，當(dāng)C2電壓降到零后，VD2自然導(dǎo)通，這時(shí)開(kāi)通VT2，則VT2即是零電壓開(kāi)通。

　　當(dāng)C1充滿電、C2放電完畢后，由于VD2是導(dǎo)通的，此時(shí)加在變壓器原邊繞組和漏感上的電壓為阻斷電容Cb兩端電壓，原邊電流開(kāi)始減小，但繼續(xù)給Cb充電，直到原邊電流為零，這時(shí)由于VD4的阻斷作用，電容Cb不能通過(guò)VT2、VT4、VD4進(jìn)行放電，Cb兩端電壓維持不變，這時(shí)流過(guò)VT4電流為零，關(guān)斷VT4即是零電流關(guān)斷。

　　關(guān)斷VT4以后，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時(shí)間后開(kāi)通VT3，由于電壓器漏感的存在，原邊電流不能突變，因此VT3即是零電流開(kāi)通。

　　VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通后原邊向負(fù)載提供能量，一定時(shí)間后關(guān)斷VT2，由于C2的存在，VT2是零電壓關(guān)斷，如同前面分析，原邊電流這時(shí)不能突變，C1經(jīng)過(guò)VD3、VT3、Cb放電完畢后，VD1自然導(dǎo)通，此時(shí)開(kāi)通VT1即是零電壓開(kāi)通，由于VD3的阻斷，原邊電流降為零以后，關(guān)斷VT3，則VT3即是零電流關(guān)斷，經(jīng)過(guò)預(yù)選設(shè)置好的死區(qū)時(shí)間延遲后開(kāi)通VT4，由于變壓器漏感及副邊濾波電感的作用，原邊電流不能突變，VT4即是零電流開(kāi)通。

　　這種采用超快恢復(fù)二極管阻斷原邊反向電流方式的移相式ZVZCS PWM全橋變換器拓?fù)涞睦硐牍ぷ鞑ㄐ稳鐖D2所示，其中Uab表示主電路圖3中a、b兩點(diǎn)之間的電壓，ip為變壓器T原邊電流，Ucb為阻斷電容Ub上的電壓，Urect是副邊整流后的電壓。

　　

　　

　　2 基于UC3875的主控制回路設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)主回路開(kāi)關(guān)管ZVZCS軟開(kāi)關(guān)，采用UC3875為其設(shè)計(jì)了PWM移相控制電路，如圖3所示?？紤]到所選MOSFET功率比較大對(duì)芯片的四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了功率放大，再經(jīng)高頻脈沖變壓器T1、T2隔離最后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管。整個(gè)控制系統(tǒng)所有供電均用同一個(gè)15V直流電源，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為70kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1.5μs，采用簡(jiǎn)單的電壓控制模式，電源輸出直流電壓通過(guò)采樣電路、光電隔離電路后形成控制信號(hào)，輸入到UC3875誤差放大器的EA一，控制UC3875誤差放大器的輸出，從而控制芯片四個(gè)輸出之間的移相角大小，使電源能夠穩(wěn)定工作，圖中R6、C5接在EA一和E／AOUT之間構(gòu)成PI控制。在本設(shè)計(jì)中把CS+端用作故障保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流、高頻變?cè)呥^(guò)流、開(kāi)關(guān)管過(guò)熱等故障時(shí)，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換電路，把故障信號(hào)轉(zhuǎn)換為高于2.5V的電壓接到CS+端，使UC3875四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，對(duì)電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

　　圖4是開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路。隔離變壓器的設(shè)計(jì)采用AP法、變比為l：1.3的三繞組變壓器。UC3875輸出的單極性脈沖經(jīng)過(guò)放大電路、隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路后形成+12V／一5V的雙極性驅(qū)動(dòng)脈沖，保證開(kāi)關(guān)管的穩(wěn)定開(kāi)通和關(guān)斷。

　　

　　3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　PSpice是一款功能強(qiáng)大的電路分析軟件，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率70kHz的ZVZCS軟開(kāi)關(guān)電源的仿真是在PSpice9.1平臺(tái)上進(jìn)行的。

　　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主回路結(jié)構(gòu)采用圖1所示的電路拓?fù)?，阻斷二極管采用超快恢復(fù)大功率二極管RHRG30120，其反向恢復(fù)時(shí)間在100ns以內(nèi)，滿足70kHz開(kāi)關(guān)頻率的要求。開(kāi)關(guān)管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100開(kāi)關(guān)管，這種型號(hào)MOS管自身反并有超快恢復(fù)二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間約250ns。

　　圖5是超前橋臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與管壓降波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實(shí)驗(yàn)波形，可見(jiàn)超前臂開(kāi)關(guān)管完全實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，VT1、VT2關(guān)斷時(shí)是依賴其自身很小的結(jié)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從圖中可以看出，關(guān)斷時(shí)也基本實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷。

　　

　　

　　圖6是滯后橋臂開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓與電流波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實(shí)驗(yàn)波形；圖7是滯后臂開(kāi)關(guān)管管壓降與電流波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實(shí)驗(yàn)波形，從圖6、圖7可以看出滯后臂開(kāi)關(guān)管VT3、VT4很好地實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管電流已經(jīng)為零；滯后臂開(kāi)關(guān)管完全開(kāi)通之前，開(kāi)關(guān)管電流也幾乎為零，基本實(shí)現(xiàn)了ZCS開(kāi)通。而且滯后橋臂開(kāi)關(guān)管VT3、VT4可以在很大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)關(guān)。

　　圖8是兩橋臂中點(diǎn)之間的電壓Uab的波形圖，（a）為仿真波形、（b）為實(shí)驗(yàn)波形。圖9是阻斷電容Cb上的電壓U曲波形，（a）為仿真波形、（b）為實(shí)驗(yàn)波形。從圖上可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一個(gè)方波。當(dāng)Uab=0時(shí)，阻斷電容Cb上的電壓Ucb使原邊電流ip逐漸減小到零，由于阻斷二極管的阻斷作用，ip不能反向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了滯后橋臂的ZCS開(kāi)關(guān)。

　　4 結(jié)論

　　本文在介紹了移相諧振控制芯片UC3875的工作特點(diǎn)并詳細(xì)分析了采用串聯(lián)阻斷二極管的移相式ZVZCS PWM軟開(kāi)關(guān)工作特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1.2kW、開(kāi)關(guān)頻率70kHz的全橋軟開(kāi)關(guān)直流電源，并應(yīng)用PSpice軟件進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本符合。實(shí)驗(yàn)表明以UC3875為核心的控制部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，電源主電路開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，并克服了單純的ZVS或ZCS軟開(kāi)關(guān)模式的缺點(diǎn)，可有效減小開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的損耗，有利于提高電源開(kāi)關(guān)頻率，減小電源體積和重量。

五、開(kāi)關(guān)電源紋波產(chǎn)生分析

　　隨著SWITCH 的開(kāi)關(guān)，電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH 同頻率的紋波，一般所說(shuō)的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR 有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開(kāi)關(guān)電源相同，為幾十到幾百KHz。

　　另外，SWITCH 一般選用雙極性晶體管或者M(jìn)OSFET，不管是哪種，在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH 上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D 在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

　　如果是AC／DC 變換器，除了上述兩種紋波（噪聲）以外，還有AC 噪聲，頻率是輸入AC 電源的頻率，為50～60Hz 左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開(kāi)關(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。因?yàn)楸救耸亲銎囯娮友邪l(fā)的，對(duì)于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

　　開(kāi)關(guān)電源紋波的測(cè)量

　　基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線

　　1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。

　　2，打開(kāi)20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測(cè)量的時(shí)候應(yīng)除去。

　　3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測(cè)量，是為了減少干擾。很多部門(mén)沒(méi)有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測(cè)量。但在判斷是否合格時(shí)要考慮這個(gè)因素。

　　還有一點(diǎn)是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說(shuō)，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測(cè)量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門(mén)的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ 到10MΩ 的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。

　　上面是測(cè)量開(kāi)關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測(cè)量。

　　在測(cè)量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級(jí)別。其他與上述相同。

　　可能不同的公司有不同的測(cè)試方法。歸根到底第一要清楚自己的測(cè)試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可。

　　關(guān)于示波器：

　　有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無(wú)法正確的測(cè)量出紋波。這時(shí)應(yīng)更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。泰克公司有專門(mén)分開(kāi)測(cè)量上述兩種紋波（噪聲）的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關(guān)于示波器的接地，電源測(cè)試的相關(guān)知識(shí)，也可以看一下。

　　開(kāi)關(guān)電源紋波的抑制

　　對(duì)于開(kāi)關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：

　　1，加大電感和輸出電容濾波

　　根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

　　同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：vripple=Imax/（Co×f）。可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

　　通常的做法，對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR 也比較大，所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來(lái)彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

　　同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開(kāi)關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端（以BucK 型為例，是SWITcH 附近），并聯(lián)電容來(lái)提供電流。

　　上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制，電感不會(huì)做的很大；輸出電容增加到一定程度，對(duì)減小紋波就沒(méi)有明顯的效果了；增加開(kāi)關(guān)頻率，又會(huì)增加開(kāi)關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。關(guān)于開(kāi)關(guān)電源的原理等，可以參考各類開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。

　　2，二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC 濾波器

　　LC 濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。

　　采樣點(diǎn)選在LC 濾波器之前（Pa），輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。

　　采樣點(diǎn)選在LC 濾波器之后（Pb），這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫(xiě)了。

　　3，開(kāi)關(guān)電源輸出之后，接LDO 濾波

　　這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線，如右圖是凌特公司LT3024 的曲線。

　　對(duì)減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問(wèn)題。有專門(mén)的開(kāi)關(guān)電源PCB 工程師，對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專門(mén)的研究，簡(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯(lián)電感。

　　4，在二極管上并電容C 或RC

　　二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個(gè)RC 振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC 緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

　　在二極管上并聯(lián)的電容C 或者RC，其取值要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

　　對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話，可以采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開(kāi)關(guān)，有很多書(shū)專門(mén)介紹。

　　5，二極管后接電感（EMI 濾波）

　　這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。

　　六、開(kāi)關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)分析

　　摘要：開(kāi)關(guān)電源PCB排版是開(kāi)發(fā)電源產(chǎn)品中的一個(gè)重要過(guò)程。許多情況下，一個(gè)在紙上設(shè)計(jì)得非常完美的電源可能在初次調(diào)試時(shí)無(wú)法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問(wèn)題．詳細(xì)討論了開(kāi)關(guān)電源PCB排版的基本要點(diǎn)，并描述了一些實(shí)用的PCB排版例子。

　　0 引言

　　為了適應(yīng)電子產(chǎn)品飛快的更新?lián)Q代節(jié)奏，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師更傾向于選擇在市場(chǎng)上很容易采購(gòu)到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。由于開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響到其電子產(chǎn)品的正常工作，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開(kāi)關(guān)電源PCB排版與數(shù)字電路PCB排版完全不一樣。在數(shù)字電路排版中，許多數(shù)字芯片可以通過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)排列，且芯片之間的連接線可以通過(guò)PCB軟件來(lái)自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方式排出的開(kāi)關(guān)電源肯定無(wú)法正常工作。所以，沒(méi)計(jì)人員需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源PCB排版基本規(guī)則和開(kāi)關(guān)電源工作原理有一定的了解。

　　1 開(kāi)關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)

　　l.1 電容高頻濾波特性

　　圖1是電容器基本結(jié)構(gòu)和高頻等效模型。

　　

　　電容的基本公式是

　　

　　式（1）顯示，減小電容器極板之間的距離（d）和增加極板的截面積（A）將增加電容器的電容量。

　　電容通常存在等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）二個(gè)寄生參數(shù)。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗（Zc）。

　　

　　一個(gè)電容器的諧振頻率（fo）可以從它自身電容量（C）和等效串聯(lián)電感量（LESL）得到，即

　　

　　當(dāng)一個(gè)電容器工作頻率在fo以下時(shí)，其阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　

　　當(dāng)電容器工作頻率在fo以上時(shí)，其阻抗會(huì)隨頻率的上升而增加，即

　　

　　當(dāng)電容器工作頻率接近fo時(shí)，電容阻抗就等于它的等效串聯(lián)電阻（RESR）。[!--empirenews.page--]

　　電解電容器一般都有很大的電容量和很大的等效串聯(lián)電感。由于它的諧振頻率很低，所以只能使用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯(lián)電感，因而它的諧振頻率會(huì)高于電解電容器，并能使用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯(lián)電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠(yuǎn)高于電解電容器和鉭電容器，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會(huì)比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此，在選擇旁路電容時(shí)不能光選用電容值過(guò)高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個(gè)不同特性的電容器可以并聯(lián)起來(lái)使用。圖3是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的效果。

　　

　　電源排版基本要點(diǎn)1 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應(yīng)盡量小，多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。

　　圖4顯示了在一個(gè)PCB上輸入電源（Vin）至負(fù)載（RL）的不同走線方式。為了降低濾波電容器（C）的ESL，其引線長(zhǎng)度應(yīng)盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負(fù)極至R1的走線應(yīng)盡量靠近。

　　

　　1．2 電感高頻濾波特性

　　圖5中的電流環(huán)路類似于一匝線圈的電感。高頻交流電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)R（t）將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內(nèi)部。如果高頻電流環(huán)路面積（Ac）很大，就會(huì)在此環(huán)路的內(nèi)外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。

　　

　　電感的基本公式是

　　

　　從式（5）可知，減小環(huán)路的面積（Ac）和增加環(huán)路周長(zhǎng)（lm）可減小L。

　　電感通常存在等效并聯(lián)電阻（EPR）和等效并聯(lián)電容（Cp）二個(gè)寄生參數(shù)。圖6是電感在不同工作頻率下的阻抗（ZL）。

　　

　　諧振頻率（fo）可以從電感自身電感值（L）和它的等效并聯(lián)電容值（Cp）得到，即

　　

　　當(dāng)一個(gè)電感工作頻率在fo以下時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即

　　

　　當(dāng)電感工作頻率在fo以上時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　

　　當(dāng)電感工作頻率接近fo時(shí)，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻（REPR）。

　　在開(kāi)關(guān)電源中電感的Cp應(yīng)該控制得越小越好。同時(shí)必須注意到，同一電感量的電感會(huì)由于線圈結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的Cp值。圖7就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線圈結(jié)構(gòu)下不同的Cp值。圖7（a）電感的5匝繞組是按順序繞制。這種線圈結(jié)構(gòu)的Cp值是l匝線圈等效并聯(lián)電容值（C）的1／5。圖7（b）電感的5匝繞組是按交叉順序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5非?？拷＿@種線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。

　　

　　可以看到，相同電感量的兩種電感的Cp值居然相差達(dá)數(shù)倍。在高頻濾波上如果一個(gè)電感的Cp值太大，高頻噪音就會(huì)很容易地通過(guò)Cp直接耦合到負(fù)載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。

　　圖8顯示了在一個(gè)PCB上Vin通過(guò)L至負(fù)載（RL）的不同走線方式。為了降低電感的Cp，電感的二個(gè)引腳應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。而Vin正極至RL和Vin負(fù)極至RL的走線應(yīng)盡量靠近。

　　

　　電源排版基本要點(diǎn)2 電感的寄生并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤(pán)之間的距離越遠(yuǎn)越好。

　　1.3 鏡像面

　　電磁理論中的鏡像面概念對(duì)設(shè)計(jì)者掌握開(kāi)關(guān)電源的PCB排版會(huì)有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。

　　

　　圖9（a）是當(dāng)直流電流在一個(gè)接地層上方流過(guò)時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個(gè)地層面上。圖9（h）顯示當(dāng)高頻電流在同一個(gè)地層上方流過(guò)時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回交流電流只能流在地層面的中間而地層面的兩邊則完全沒(méi)有電流。 一日．理解了鏡像面概念，我們很容易看到在圖10中地層面上走線的問(wèn)題。接地層（Ground Plane），沒(méi)汁人員應(yīng)該盡量避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。一旦地層上的走線破壞了整個(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì)產(chǎn)牛很強(qiáng)的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

　　電源排版基本要點(diǎn)3 避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。

　1．4 高頻環(huán)路

　　開(kāi)關(guān)電源中有許多由功率器件所組成的高頻環(huán)路，如果對(duì)這△環(huán)路處嬋得不好的話，就會(huì)對(duì)電源的正常工作造成很大影響。為了減小高頻環(huán)路所產(chǎn)生的電磁波噪音，該環(huán)路的面積應(yīng)該控制得非常小。如圖l1（a）所示，高頻電流環(huán)路面積很大，就會(huì)在環(huán)路的內(nèi)部和外部產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁于擾。同樣的高頻電流，當(dāng)環(huán)路面積設(shè)計(jì)得非常小時(shí)，如圖11（b）所示，環(huán)路內(nèi)部和外部電磁場(chǎng)互相抵消，整個(gè)電路會(huì)變得非常安靜。

　　電源排版基本要點(diǎn)4 高頻環(huán)路的面積應(yīng)盡可能減小。

　　

　　1.5 過(guò)孔和焊盤(pán)放置

　　許多設(shè)計(jì)人員喜歡在多層PCB卜放置很多過(guò)孔（VIAS）。但是，必須避免在高頻電流返同路徑上放置過(guò)多過(guò)。否則，地層上高頻電流走線會(huì)遭到破壞。如果必須在高頻電流路徑上放置一些過(guò)孔的活，過(guò)孔之間可以留出一空間讓高頻電流順利通過(guò)，圖12顯示了過(guò)孔放置方式。

　　

　　電源排版基本要點(diǎn)5 過(guò)孔放置不應(yīng)破壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。

　　設(shè)計(jì)者同時(shí)應(yīng)注意不同焊盤(pán)的形狀會(huì)產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯示了幾種焊盤(pán)形狀的串聯(lián)電感值。

　　

　　旁路電容（Decouple）的放置也要考慮到它的串聯(lián)電感值。旁路電容必須是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但如果一個(gè)高品質(zhì)瓷片電容在PCB上放置的方式不對(duì)，它的高頻濾波功能也就消失了。圖14顯示了旁路電容正確和錯(cuò)誤的放置方式。

　　

　　1．6 電源直流輸出

　　許多開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載遠(yuǎn)離電源的輸出端口。為了避免輸出走線受電源自身或周邊電子器件所產(chǎn)生的電磁下擾，輸出電源走線必須像圖l5（b）那樣靠得很近，使輸出電流環(huán)路的面積盡可能減小。

　　

　　l.7 地層在系統(tǒng)板上的分隔

　　新一代電子產(chǎn)品系統(tǒng)板七會(huì)同時(shí)有模擬電路、數(shù)字電路、開(kāi)關(guān)電源電路。為了減小丌關(guān)電源噪音對(duì)敏感的模擬和數(shù)字電路的影響，通常需要分隔不同電路的接地層。如果選用多層PCB，不同電路的接地層可由不同PCB板層來(lái)分隔。如果整個(gè)產(chǎn)品只有一層接地層，則必須像圖16中那樣在單層中分隔。無(wú)論是在多層PCB上進(jìn)行地層分隔還是在單層PCB 上進(jìn)行地層分隔，不同電路的地層都應(yīng)該通過(guò)單點(diǎn)與開(kāi)關(guān)電源的接地層相連接。

　　電源排版基本要點(diǎn)6 系統(tǒng)板七不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接。

　　

　　2 開(kāi)關(guān)電源PCB排版例子

　　壓式開(kāi)關(guān)電源原理圖。設(shè)汁人員應(yīng)能在此線路圖上區(qū)分出功率電路中元器件和控制信號(hào)電路中元器件。如果設(shè)計(jì)者將該電源中所有的元器件當(dāng)作數(shù)字電路中的元器件來(lái)處理，則問(wèn)題會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。通常首先需要知道電源高頻電流的路徑，并區(qū)分小信號(hào)控制電路和功率電路元器件及其走線。一般來(lái)講，電源的功率電路主要包括輸入濾波電容、輸出濾波電容、濾波電感、上下端功率場(chǎng)效應(yīng)管?？刂齐娐分饕≒WM控制芯片、旁路電容、自舉電路、反饋分壓電阻、反饋補(bǔ)償電路。

　　2.l 電源功率電路PCB排版

　　電源功率器件在PCB上正確的放置和走線將決定整個(gè)電源工作是否正常。設(shè)計(jì)人員首先要對(duì)開(kāi)關(guān)電源功率器件上的電壓和電流的波形有一一定的了解。

　　

　　圖18顯示一個(gè)降壓式開(kāi)關(guān)電源功率電路元器件卜的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容（Cin），上端場(chǎng)效應(yīng)管（S1）和F端場(chǎng)效應(yīng)管（S2）中所流過(guò)的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以由Cin-S1-S2所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時(shí)由S2，L和輸出濾波電容（Cout）所組成的環(huán)路面積也要盡量減小。

　　

　　如果設(shè)汁者未按本丈所述的要點(diǎn)來(lái)制作功率電路PCB，很可能制作出網(wǎng)19所示的電源PCB，圖19的PCB排版存在許多錯(cuò)誤：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基本上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環(huán)路的面積太大，所產(chǎn)生的電磁噪音會(huì)對(duì)電源本身和周邊電路造成很大于擾；第三，L的焊盤(pán)靠得太近，造成Cp太大而降低了它的高頻濾波功能；第四，Cout焊盤(pán)引線太長(zhǎng)，造成FSL太大而失去了高頻濾波線。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout環(huán)路的面積已控制到最小。S1的源極，S2的漏極和L之問(wèn)的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤(pán)。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻，S1、S2和L需要靠得非常近。雖然L和Cout之間的走線上沒(méi)有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線可以降低直流阻抗的損耗使電源的效率得到提高。如果成本上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB，但必須注意在地層卜盡量避免走功率和信號(hào)線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個(gè)瓷片電容器來(lái)改善電源的高頻濾波性能。

　　2.2 電源控制電路PCB排版

　　電源控制電路PCB排版也是非常重要的。不合理的排版會(huì)造成電源輸出電壓的漂移和振蕩?？刂凭€路應(yīng)放置在功率電路的邊上，絕對(duì)不能放在高頻交流環(huán)路的中間。旁路電容要盡量靠近芯片的Vcc和接地腳（GND）。反饋分壓電阻最好也放置在芯片附近。芯片驅(qū)動(dòng)至場(chǎng)效應(yīng)管的環(huán)路也要盡量減短。

　　電源排版基本要點(diǎn)7 控制芯片至上端和下端場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短。

　　

　　2.3開(kāi)關(guān)電源PCB排版例1

　　圖21是圖17 PCB的元器件面走線圖。此電源中采用了一個(gè)低價(jià)PWM控制器（Semtech型號(hào)SCIIO4A）。PCB下層是一個(gè)完整的接地層。此PCB功率地層與控制地層之間沒(méi)有分隔?？梢钥吹皆撾娫吹墓β孰娐酚奢斎氩遄≒CB左上端）通過(guò)輸入濾波電容器（C1，C2，），S1，S2，L1，輸出濾波電容器（C10，C11，C12，C13），一直到輸出插座（PCB右下端）。SCll04A被放置在PCB的左下端。因?yàn)?，在地層上功率電路電流不通過(guò)控制電路，所以，無(wú)必要將控制電路接地層與功率電路接地層進(jìn)行分隔。如果輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會(huì)直接通過(guò)控制電路，這時(shí)就有必要將二者分隔。

　　

　2．4開(kāi)關(guān)電源PCB排版例2

　　圖22是另一種降壓式開(kāi)關(guān)電源，該電源能使12V輸入電壓轉(zhuǎn)換成3．3V輸出電壓，輸出電流可達(dá)3A。此電源上使用了一個(gè)集成電源控制器（Semtech型號(hào)SC4519）。這種控制器將一個(gè)功率管集成在電源控制器芯片中。這樣的電源非常簡(jiǎn)單，尤其適合應(yīng)用在便攜式DVD機(jī)，ADSL，機(jī)頂盒等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

　　同前面例子一樣，對(duì)于這種簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電源，在PCB排版時(shí)也應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

　　1）由輸入濾波電容（C3），SC4519的接地腳（GND），和D2所圍成的環(huán)路面積一定要小。這意味著C3及D2必須非常靠近SC4519。

　　2）可采用分隔的功率電路接地層和控制電路接地層。連接到功率地層的元器件包括輸入插座（VIN），輸出插座（VOUT），輸入濾波電容（C3），輸出濾波電容（C2），D2，SC4519。連接到控制地層的元器件包括輸出分壓電阻（R1，R2），反饋補(bǔ)償電路（R3，C4，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。

　　

　　

　　3）在SC4519接地腳的附近加 個(gè)過(guò)孔將功率電路接地層與控制信號(hào)電路接地層單點(diǎn)式的相連接。

　　圖23是該電源PCB上層排版圖。為了力便讀者理解，功率接地層和控制信號(hào)接地層分別用不同顏色來(lái)表示。在這里輸入插座被放置在PCB的上方，而輸出插座被放置在PCB的下方．濾波電感（L1）被放在PCB左邊并靠近功率接地層，而對(duì)于噪音較敏感的反饋補(bǔ)償電路（R3，C4，C5）則被放存PCB右邊并靠近控制信號(hào)接地層。D2非?？拷黃C4519的腳3及腳4。圖24是該電源PCB下層排版圖。輸入濾波電容（C3）被放置在PCB下層并非?？拷黃C4519和功率接地層。

　　2.5開(kāi)關(guān)電源PCB排版例3

　　最后討論一種多路輸出開(kāi)關(guān)電源PCB排版要點(diǎn)。此電源有3組輸入電壓（12V，5V和3.3V），4組輸出電壓（3.3v，2.6V，1.8V，1.2V）。該電源使用了，一集成多路開(kāi)關(guān)控制器（Serotech型號(hào)SC2453）。SC2453提供了4.5V～30V的寬輸入電壓范圍，兩個(gè)高達(dá)700kHz開(kāi)關(guān)頻率和高達(dá)15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器。它還提供了一個(gè)專用可調(diào)配正壓線性調(diào)節(jié)器和一個(gè)專用可調(diào)配負(fù)壓線性調(diào)節(jié)器。TSSOP-28封裝減小了所需線路板面積。兩個(gè)異相降壓轉(zhuǎn)換器可以減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開(kāi)關(guān)電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸人產(chǎn)生，l.2V輸出由12V輸入產(chǎn)生，2.6V和1.8V輸出由3.3V輸入產(chǎn)生。由于該電源上所有元器件都必須被放置在一個(gè)面積較小的PCB上，為此必須將電源的功率地層和控制信號(hào)地層分隔開(kāi)來(lái)。參照前面幾節(jié)中討論過(guò)的要點(diǎn)，首先將圖25中連接到功率地層的元器件和連接到控制信號(hào)地層的元器件區(qū)分開(kāi)來(lái)，然后將控制信號(hào)元器件放在信號(hào)地層上并靠近SC2453控制信號(hào)地層與功率地層通過(guò)單點(diǎn)相連接。這連接點(diǎn)通常會(huì)選擇在控制芯片的接地腳（SC2453中的腳21）。圖26詳細(xì)描述了該電源排版方式。

　　

　　電源排版基本要點(diǎn)8 開(kāi)關(guān)電源功率電路和控制信號(hào)電路下的元器件需要連接不同的接地層，這二個(gè)地層一般都是通過(guò)單點(diǎn)相連接。

　　

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　開(kāi)關(guān)電源PCB排版的8個(gè)要點(diǎn)：

　　1）旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應(yīng)盡量小，多個(gè)電容并聯(lián)能改善電容的阻抗特性；

　　2）電感的寄生并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤(pán)之間的距離越遠(yuǎn)越好；

　　3）避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線；

　　4）高頻環(huán)路的面積應(yīng)盡可能減?。?/p>

　　5）過(guò)孔放置小應(yīng)破壞高頻電流在地層上的路徑；

　　6）系統(tǒng)板上一小同電路需要不同接地層，小同電路的接地層通過(guò)單點(diǎn)與電源接地層相連接；

　　7）控制芯片至上端和下端場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路環(huán)路要盡量短；

　　8）開(kāi)關(guān)電源功率電路和控制信號(hào)電路元器件需要連接到小同的接地層，這二個(gè)地層一般都是通過(guò)單點(diǎn)相連接。