开关电源设计
摘要：随着20世纪末全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它是一种较理想的稳压电源。正因为如此，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。
关键词：电源设计 仿真及应用
1 设计要求
1.1 目的和要求 开关电源通常是由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成的，指利用现代电子电力技术，控制开关接通和断开的，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的高速发展，各种电子设备开始充斥人们的生活，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，被广泛应用在程控交换机、通讯等设备中。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，同时也为开关电源提供了广泛的发展空间。
1.2 性质 开关电源的性质有以下几点：
1.2.1 宽电压工作范围。开关电源适用的交流电源范围很宽，当输入的交流电压在85～265V之间变化时，均可正常稳定地输出设备所需要的直流电压，输出电压的变化小于2%。因此，开关电源特别适用于电网电压不稳定、波动较大的地区。
1.2.2 功率损耗小。由于开关电源工作频率高，一般都在20kHz以上，因此滤波元件的数值大大减小，从而减小功耗，特别是开关管工作在开关状态，不需要加很大面积的散热片，目前空载功耗可以做到小于0.3W，甚至更小，较小的功率消耗使机内温升较低，机内电子元器件可以长期稳定工作，因此采用开关电源，极大地提高了整机设备的稳定性和可靠性。
1.2.3 体积小且重量轻。开关电源适配器使用的元器件虽多，但没有使用体积大、比较重的线性电源变压器，节省大量的漆包线和硅钢片，故实际体积和重量比低频线性电源适配器小得多，且轻得多。
1.2.4 安全可靠。无论哪一种类型的开关电源，其电路中都设置了各种保护电路（如过压保护、过流保护、短路保护、过温保护、欠压保护、尖峰脉冲抑制电路等）。当开关电源本身或者负载设备发生故障时，相关保护电路均会启动工作，自动切断输出，且反应灵敏、可靠。因而开关电源产品很安全，方便使用。
2 开关电源设计的综述
2.1 开关电源设计的组成及结构 开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成。
2.1.1 主电路。冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
2.1.2 控制电路。一方面控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定；另一方面，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
2.1.3 检测电路。提供保护电路中正在运行的各种参数和各种仪表数据。
2.1.4 辅助电源。实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
2.2 开关电源设计的优点 开关电源优点：辅助。①功耗小，效率高。在开关电源电路中，晶体管的转换速度很快，一般频率在50kHz左右，甚至在一些发达国家频率能够达到1000kHz。其高频率的特点导致其具有功耗小、效率高的优点。②体积小，重量轻。原本笨重的工频变压器不存在开关电源的原理框图。③稳压范围宽。通过调频或调宽可以控制输入信号电压。
2.3 开关电源设计的缺点 开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。在一定情况下，开关电源产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件会产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取必要的制止措施，很可能影响整机的正常工作。
3 原理图及电路原理分析
3.1 开关电源的原理框图 交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成分的直流电压，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
3.2 开关式稳压电源的基本工作原理 开关式稳压电源控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用的较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。
3.3 开关电源分析 自激式开关稳压电源是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。
3.4 稳压电源 电源是整机能源的提供者，稳定的电源是提高系统性能指标的前提条件，为了保证电源部分不对性能指标造成影响。首先，是采用性能优良的集成稳压电路；其次，是采用大小功率电路分开供电。
4 开关电源设计的优化
4.1 优化的概述 各种电子设备不可缺少的一个组成部分就是电源，它性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作，因此，电源设计是硬件工程师必须掌握的基本技术之一。
4.2 产生干扰的原因 ①电磁干扰的产生与传输。电磁干扰传输有两种方式：一种是传导传输方式，另一种则是辐射传输方式。②电磁干扰的产生机理。从被干扰的敏感设备角度来说，干扰耦合又可分为传导耦合和辐射耦合两类。传导耦合按其原理可分为电阻性耦合、电容性耦合和电感性耦合三种基本耦合方式；辐射耦合除了从干扰源发出的有意辐射外，还有大量的无意辐射。③电磁干扰控制技术。滤波：在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流等。屏蔽：电磁屏蔽按原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。接地：接地有安全接地和信号接地两种。搭接：只有良好的搭接才能使电路完成其设计功能，使干扰的各种抑制措施得以发挥作用。布线：应选择合理的导线宽度，采取正确的布线策略。
4.3 对产品的材料精益求精 电路和器件的选择 目前市场上的电源开关都广泛地采用了工程塑料（即人们通常所说的PC材质），塑料的好坏主要看塑胶件表面光泽是否鲜亮，好的工程塑料不会出现气泡、裂纹和明显变形等缺陷，用力触按的时候具备良好的韧性。
4.4 改善开关电源设计的环境 以下几点是为直流开关电源的多种保护电路：①过电流保护电路。在直流开关电源电路中，为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。②过电压保护电路。直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。③软启动保护电路。④过热保护电路。
4.5 完善参数的设定 在电力电子各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。开关电源的技术概括为以下四个方面：①高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。②模块化。模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。③数字化。现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点。④绿色化。开关电源需要绿色化。
5 对开关电源的总结和趋势
开关电源设计给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了开关原先的性能。诸如红外线感应开关电源、开关稳压电源、单开关及双开关电源等，甚至各种智能型电源开关等，所有这些都是以电源为基础的。因此研究开关电源设计的仿真及应用，有着非常现实的意义。
参考文献：
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作者简介：陈志明（1984-），男，福建漳州人，副主任，初级助理工程师，研究方向：电子工程。
作者：陈志明
【摘要】随着便携式电子器件的应用日益广泛，多功能作为便携式的电子器件的一项特色也不断地遇到新的挑战。开关稳压电源具有集成度高、外围电路较为简单、电源转换效率高等优点，在各种电子产品中得到广泛的应用。本文对开关电源进行了设计。
【关键词】开关电源;主电路;控制电路
1.引言
开关电源是指通过控制开关晶体管开通和关断时间的比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被人们誉为十分高效节能的电源，它代表稳压电源发展的方向，现已经是稳压电源主流产品。开关电源的内部重要元器件均运行在高频开关的状态，本身消耗很低的能量，其电源的效率可以达到百分之八十到九十，是普通的线性稳压电源效率的将近两倍。开关电源也被叫做无工频的变压器电源，它利用体积很小高频的变压器以实现电压的转变和电网隔离，不仅可以去掉十分笨重的工频变压器，而且可使用体积很小的滤波元件以及散热器，这就为研究和开发的高效率、高可靠性、高精度、体积小、重量轻的开关电源打下了坚实的基础。
2.开关电源的实现方案研究
2.1 开关变换器的拓扑结构
现代直流稳压电源可分为直流稳压开关电源和交流稳压开关电源两大类，前者可输出质量相对较高的直流电压;后者可输出相对质量较高的交流电压。本研究课题的研究范围属于前者的，直流变换器按照输入与输出间是否含电气隔离，可以分成两类：无电气隔离的直流变换器称为不隔离的直流变换器，具有电气隔离的直流变换器称为隔离的直流变换器。
不隔离的直流变换器根据使用的有源功率器件的个数，可以分为单管、双管以及四管共三大类。采用单管的直流变换器共有六种，包括降压式(Buck)、升压式、Cuk、Zeta、升降压式和Sepic等。这六类单管式变换器当中，降压和升压式是最为基础的，另外四种则是衍生出来的。双管式直流的变换器中有双管式串接的变换器。全桥式直流的变换器是通常用的四管式直流的变换器。隔离直流的变换器同样可以根据所用开关的器件个量进行分类。单管的包括正激式和反激式两类。双管的有正激、推挽、反激和半桥四种。四管式直流即全桥式直流。隔离直流通常使用变压器来造成输入以及输出间的电气隔离，变压器其本身就具有变压功能，将有利于扩展变换器的使用范围以及利于完成多路不同的电压或者多路相同的电压输出。
2.2 开关变换器的软开关的技术
PWM技术已经在电力电子电路中得到了日益广泛的应用，一般说来是指在开关变换的过程中保持开关频率的恒定，但通过改变开关接通时间的长短，使负载变化时，负载上电压输出变化却不大的方法。但这种开关技术是一种“硬开关”，也就是开关管的通断控制与其上流过的电流以及器件两端所加的电压并无关系，功率开关管的开通、关断在器件上的电流或电压不等于零的状态下强迫进行，开关损耗很大。特别是现代电力电子技术正向频率更高的方向发展，PWM硬开关技术将使得开关损耗成为高频化发展的显著障碍。
高频软开关技术大致可以分为以下三大类：
(1)谐振式变换器(串联谐振，准谐振，并联谐振和多谐振);
(2)有源钳位的ZVS单端变换器;
(3)零开关--脉宽调制变换器(ZVS/ZCS-PWM、PSC FB ZVS-PWM、ZVT/ZCT-PWM变换器);根据本研究课题所探讨的电源功率大，开关频率高的特点，选用串联谐振变换器等这类谐振变换器和零开关PWM DC/DC全桥变换器以实现软开关，则较为适合。下面以这两类中较为典型的移相全桥ZVS-PWM变换器和串联的谐振式变换器为例，对这两类变化器的特点进行综合比较。
2.3 移相全桥ZVS-PWM变换器与串联式谐振变换器相互比较
谐振式变换器包括串联谐振式和并联式，在谐振的变换器中，谐振元件一直谐振工作，可参与能量变换的全过程。串联式谐振的变换器可实现开关管软开通或者软关断，改善开关管的工作条件;这类的基本控制方式是调频控制;变换器回路电流近似为正弦波，它的EMI小;但同时存在以下缺点：
(1)开关器件通态电流或断态电压的应力较大。对于在电压模式下的谐振开关，开关于零电压下所进行的开通与关断所承受的断态的峰值电压可为其输出电压值的两倍还要多，对于电流模式，则通态的电流峰值可达到输出电流值的两倍还多，通态损耗比较大。
(2)开关的器件工作频率并不为恒定。采用调频的方式控制，当电源或者负载变化，便只能依靠改变开关的器件的运行工作频率来调节相关的输出的电压值，使频率的变化范围很大，以致对功率变压器、输入、输出滤波器的设计以及优化均难以进行，且频率大范围变化并不利于与下级变换器的同步。
3.开关电源的主电路设计
3.1 高频变压器的设计
开关电源主电路主要是处理电能，也就是功率变换。主电路主要包括输入滤波电路、高频变压器、逆变电路、输出滤波电路等部分。主电路的设计一般在整个电源设计过程中具有最为重要的地位。
变压器是开关电源中的核心元器件，许多其他主电路的元器件参数设计均考虑了变压器参数，因此，应首先对变压器进行设计制造。高频的变压器在运行时电压、电流均不为正弦波，因此，工作的状况与工频并不一样，计算公式也不尽相同。需计算的参数包括铁心的尺寸、导体的截面积、各绕组的匝数及其结构等，它们的基础参数是工作电流、电压和频率等。
3.2 输入端整流式滤波电路设计
交流的输入一般使用包括单相输入和三相式输入(包括四线方式和无中线的方式)。对于中大功率的场合，考虑到单相整流电压相对三相整流电压要低得多，使DC-DC电路电流变大，功耗也增大，单相整流和三相整流比较而言直流脉动也比较大，因此，采纳三相输入，故本设计中输入部分使用三相的无中线的控制方式，经过功率控制的二极管形成三相的桥式的整流器以输出脉动的直流波形，并且在整流器的输出端接上LC滤波网络，使脉动电流变成平滑的直流。
输入滤波电容(C1)主要功能是起到滤波以及使得输出直流电压变得平滑，并减小脉动作用，故输入端滤波的电容的挑选是相当关键。一般情况下，输入滤波的电容值根据控制纹波来估算，也就是为了确保逆变电路供应稳定直流电压，滤波电路时间常数必须为纹波中基波周期的6倍以上，由此根据直流输入电压、电流推算出输入滤波电容值。
3.3 输出整流回路的结构设计
一般而言，输出整流回路包括两种，一种为四个二极管组成的单相式全桥整流，另一种是两个整流二极管组成的单相式全波整流。比较两者，全波式整流电路的二次绕组具有中心抽头，结构较为复杂;而全桥式整流相对于全波式整流多采用了两个二极管，成本较高，若输出的电流大，那么整流桥上的二极管总通态损耗也变大，影响了变换器的效率，但是对于波整流电路，二极管所经受最大的反向电压是全桥整流电路值的两倍。通过以上的考虑，当输出的电压较高，且输出的电流较小时，一般采取全桥整流的方式;而输出的电压比较低，且输出的电流较大时，一般使用全波整流的方式。结合本课题所研究的情况，输出整流电路选用单相的全桥整流电路。
3.4 功率开关器件的选型设计
目前，在高频开关电源中使用最为广泛的功率开关器件是MOSFET和IGBT，在功率转换的应用中，MOSFET的导通损耗与开关损耗之比约为3:1,而相比之下的IGBT的导通损耗与开关损耗之比约为1:4。MOSFET较高的导通损耗是由较高的RDS(on)引起，而IGBT较高的开关损耗是由关断时电流拖尾所导致的。相比较而言IGBT的开关速度是低于功率MOSFET的，目前开关速度最快的IGBT的开关频率可以达到150kHz(IR公司的开关频率可高达150kHz的WARP系列400～600V IGBT)，而MOSFET的所能达到开关频率则比IGBT高出许多，且在开关频率很高的时候，IGBT的开关损耗比MOSFET要大，故本课题研究采用MOSFET作为逆变电路的功率开关器件。
通常，若主电路工作在硬开关条件下，功率开关管的额定电压常常要求大于直流母线电压两倍。而本电路工作在零电压开关的条件下，功率开关管额定电压可以适当降低一些，因此可选为600V。
3.5 附加谐振电感设计
通过研究移相全桥ZVS-PWM变换器可看出，开关的过程中，输出滤波电感是参与串联谐振的，它的能量很大，已可满足开关管的并联电容器进行充放电的需要，因此超前臂较易实现ZVS;但滞后臂于开关的过程中，变压器副边为短路，仅剩下变压器的原边漏感的能量可参与谐振，并不能快速完成其并联电容器充放电的过程，滞后桥臂达到ZVS相对较为困难。故为了促进滞后桥臂达到ZV S，我们可另外增设附加的电感量，从而为并联电容器充放电提供足够多的磁能。
4.开关电源控制电路设计
4.1 开关电源控制电路设计
开关电源的主电路主要任务是处理电能，而控制电路的主要任务是处理电信号，它控制着主电路中各个开关器件的工作，控制电路的设计质量对电源的性能甚为重要。一般由驱动电路，PWM控制电路，调节器电路及保护电路组成。
其中，PWM控制电路的作用是将于一定范围内不断变化的控制量模拟信号转换为PWM信号，通常集成的PWM控制器可将误差电压放大器(EA)，振荡器，PWM比较器，基准源，驱动，保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一个芯片中，组成功能完整的集成电路，成为控制电路的核心。
4.2 移相PWM控制芯片UC-3879特性
这里UC-3879的系列IC是指UC-3875的改进产品，它是一个含软开关的功能的PWM式驱动器，采用移相开关方式调节半桥电路的驱动式脉冲的电压，同时控制了全桥式变换器的功率管，使固定的频率的脉宽调制器和谐振零电压的开关结合以具有相对高性能。此芯片除了可在电压模式工作，同时可工作在电流模式，并且具有快速的过流保护功能。UC3879可以独立编程以控制时间延迟，在每只输出级开关管导通之前提供足够的死区时间，为每个谐振开关区间里实现ZVS留有余地。
4.3 驱动电路设计
驱动电路是主电路与控制电路的接口，同开关电源的可靠性，效率等性能关系密切。驱动电路对快速性有较高要求，能提供一定的驱动功率，并具有较高的抗干扰和隔离噪声的能力。通常MOSFET的驱动电路包括以下三类：
1)使用光耦合器作为电气隔离的驱动电路，它由电气隔离及放大电路两部分构成，可以获得很好的驱动波形，但由于受到光耦响应时间限制，当开关频率较高时，驱动延时显著(为微秒级)，并且需要独立的驱动电源。
2)使用集成驱动芯片(比如IR2110)的驱动电路，根据自举原理，驱动高压侧和低压侧的两元件时，并不需独立电源，驱动延时较小(纳秒级)，适用的开关频率高，驱动波形理想。但是当MOSFET并联时，该电路驱动能力显得不足，需要增加放大电路。
3)使用脉冲变压器的驱动电路，它的电路结构简单而可靠，并不需独立驱动电源，延时小(为纳秒级)，适用的开关频率很高。本设计依据自身的特点，采用脉冲变压器来组成驱动电路，电路的结构简单，延时较小(经实验测定本电源驱动电路延时小于50ns),可靠性较高。
4.4 电源容量扩充的途径
自八十年代，伴随高频电源技术及新型功率器件的快速发展，大容量高频开关电源的研究和开发逐渐成为当今电力电子学的主要研究方向，并且派生了多个新研究方向。我们从电路的角度来考虑开关电源的容量扩充，将容量扩充技术分为二大类：
第一种，通过器件的串、并联增大电源工作电压或工作电流，以实现扩容的目的;
第二种，通过将多台单个电源并联，实现扩容和冗余设计的目标。
对于前者，器件的串、并联的方式中，需要特别处理串联式器件均压问题以及并联器件均流问题，考虑到器件的制造工艺以及参数离散性，限制器件相互之间的串并联的数目，同时串、并联的数量越多，那么装置可靠性将会越差。
对于后者，多台电源并联的技术是基于器件的并联技术进行大容量的可行方式，借助可靠电源并联技术，在单机的容量合适的情况下，可简单通过并联的运行方式得到非常大容量的装置，每台单机仅为装置的一个整理单元或一个相关的模块。大功率电源系统是由若干个较小的模块化电源形成的。在空间上，各个模块接近于负载，供电的质量高，采用调整并联模块数量以符合有差异的功率负载，设计较为灵活，每个模块可承受较小的电应力，开关频率将达兆赫级，从而提高系统的功率的密度。另外，模块化的电源系统突破了仅仅只有单个电源的功率限制，用户可如同搭建积木一般，按照电源功率进行最佳的组合，当某一个模块发生了故障，可热换掉此模块，这时其他的模块会均担此故障模块负载，并不影响整体系统工作，以提升系统安全，且方便维护，节省了投资。
4.5 开关电源电磁兼容的设计
随着电子电路不断向高密度高集成化的方向发展，我们对电源产品的要求越来越高。体积小、高效能、重量轻、高可靠性的“绿色电源”已不可避免地成为下一代电源产品的发展趋势。功率密度急剧增大将导致电源内部电磁环境日益复杂，由此产生的电磁干扰对电源及其周围的电子设备正常工作都产生威胁。同时随着国际电磁兼容法规变得日益严格，国内已经以新的3C认证取代了CCIB和CCEE认证，对开关电源在电磁兼容方面的要求更加详细、更加严格。目前，如何降低以致消除开关电源的EMI问题已成为全球开关电源设计师和电磁兼容设计师密切关注的问题。
电磁兼容(EMC)是说在十分有限的时间、空间和有限的频谱范围内不同的电气设备共同存在但却不会造成各个电气设备的性能下降，包括电磁敏感(EMS)和电磁干扰(EMI)这样两个方面。EMS是指电气设备抵御电磁的干扰方面的能力，EMI则指的是电气设备向周围环境发出噪声。某一台具有十分良好的电磁兼容的性能设备，将会既不会遭到周围的电磁噪声的影响，同时对周围的环境也不会形成较大的电磁干扰。
参考文献
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[2]丁道宏.国内外开关电源发展展望[J].电气时代,2000(10):14-15.
作者简介：
方传伟(1976—)，男，河南潢川人，大学专科，助理工程师，现供职于中石化中原油田分公司天然气处理厂，研究方向：电子电气。
李占丽(1979—)，女，河南淇县人，大学本科，技术主办，现供职于中石化中原油田分公司天然气处理厂，研究方向：装置设备管理。
作者：方传伟 李占丽
目前世界各国正在研究48VDC汽车用电源系统，欧共体计划从2008年开始采用4 8VD C电源系统。如何在48VDC电源系统下兼容12VDC电子设备成为了一个课题。通过线性稳压电源实现48VDC／12VDC的转换会产生很大的功率损耗，缺点明显。
本文提出了一种具有过载和短路保护的车载电源系统的开关电源设计方案。该方案采用单端反激式结构实现48VDC／12VDC的转换，输出电压稳定，波纹小，不间断，性能可靠且电源损耗小。
UC3842的保护电路设计
1 UC384g的典型应用
UC3842是高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制(PWM)芯片，其典型应用电路如图1所示。
2 过载保护原理分析
当出现输出短路时，输出电压会下降，同时为UC3842供电的反馈绕组也会出现输出电压下降。当输入电压低于10V时，UC3842停止工作，开关管截止。短路现象消失后，电源重新启动，自动恢复正常工作。
但由于在高频关断的时候会出现很高的尖峰电压，即使占空比很小的情况下，电路中7脚的输入电压也可能不会降到足够低，过载保护电路并不总能有效的响应所出现的过载情况，对整个系统的性能会产生不良的影响，存在着一定的安全隐患。
3 过流保护原理分析
当电流取样端3脚上的电压值超过电流检测比较器负端的电压时，可以使脉宽调制锁存器输入复位信号，开关管于是被关闭。这样峰值检测电路限制输出的最大电流，起到了一定的保护作用。
但是随着开关频率的升高，可能会出现开关电源处于连续模式下，也就是每个开关周期的初级电感电流是从一定的幅度开始增长，这样会产生分谐波振荡。这种不稳定性和稳压器的闭环特性无关，它是由固定频率和峰值电流取样同时工作引起的。图2说明了这样的现象。
如图2所示，在t0时刻，开关管被导通，这时初级线圈电流以斜率m1上升，该斜率是输入电压和电感的函数。在t0时刻，电流取样输入到达了电流检测比较器的门限，将导致开关管关闭，电流以斜率m2衰减，直到下一个开关周期的到来。如果有一个扰动加在电流检测比较器的门限电压上，产生了一个小的△I(如图2中虚线所示)，就会发生不稳定的现象。在一个固定的振荡周期内，电流衰减时间减少，最小电流在开关管导通时刻(t2)上升了△I+m,／m1。最小电流在下一个周期(t3减小到(△I+m2／m1)·(m2／m1)。在每一个后续的开关周期内，该扰动都会与(m2／m1)相乘，在几个开关周期交替增加和减小初级线圈电流，也许若干个开关周期后电流会减小到零，使这个过程重新开始。如果m2／m1大于1，系统将不稳定。
4 保护电路的改进
如图3所示，本设计针对UC3842典型应用电路的过流、过载保护电路做出以下改进。
在反馈绕组的整流二极管回路串一个电阻，它和电容C2组成RC滤波网络，对开关管开通瞬间时的尖峰电压起到了滤除的作用。这样，由于尖峰电压的减少，当短路现象发生时，反馈绕组输出的电压会有效的降低，UC3842会停止工作直到短路现象解除。
对过流保护电路进行斜率补偿。补偿斜率从RT、CT振荡器产生，加到电压反馈端，以提高误差放大器输出的斜率补偿。如图3所示，误差放大器的输出是具有m3斜率的斜坡，经过两个二极管后被电阻分压，然后输入到电流检测比较器的负端作为过流保护电路的控制电压。这样通过电流检测比较器和脉宽调制锁存器的配置保证了在任何一个振荡器周期中只有一个单脉冲出现在输出端。当出现过载或者输出电压取样丢失等异常工作情况，内部比较门限会被限定在1V，而不会出现电路失调的情况，
图4显示了通过在控制电压上增加一个与脉宽调制时钟同步的人为的斜坡，可以在后续的开关周期有效的抑制由于AI扰动而引起的不稳定。该补偿斜坡的斜率(m3)必须等于或者大于m2／2才具有稳定性。通过m3斜率的补偿，初级线圈电流会被控制电压所抑制，紧跟控制电压的幅度。
实验结果
表1为输入电压在30～50V波动时，输出电压的波动情况，表2是负载电流在10～500mA变化时，输出电压的波动情况。由表1的数据可得到电压调整率So<0．3％。由表2的数据可得到输出电阻Ro<0．4Ω。
结论
本文所提出的是一种结构简单、性能稳定的单端反激式结构开关电源设计方案。由于采用了“斜率补偿”的过流保护方式，性能更加稳定可靠，电压调整率低、输出电阻小、纹波低，功率损耗低，系统安全系数高，实现对车载电源系统的供电，对提高汽车整体性能大有益处。本设计已经成功应用于武汉理工大学智能信息系统研究所自行设计的车用直流无刷电机控制器的电源系统中。
同时，本文所提出的DC／DC方案也适用于其他直流供电电源的应用设计。由于其性能稳定，纹波小，对采用微控制器的数字控制系统的供电电源设计有一定的借鉴意义。
作者：廖传书 程 鑫
摘 要：能源在社會现代化方面起着关键作用。电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度、高效率，能得到大力发展，而开关电源在电力电子技术中占有很大比重。
本设计是直流开关电源的设计，首先对开关电源的原理以及优点进行总结，再对其发展前景以及发展中可能出现的问题进行分析，设计一个控制电路和保护电路模型，对各项参数进行分析并合理选出合适的器件画出原理图。其中对AC-DC主电路拓扑结构部分和PWM控制电路进行重点设计。
关键词：直流开关电源;DC-DC变换器;PWM;PI控制;
1.1 课题研究背景
本课题研究的是直流开关电源的设计，开关电源的应用十分广泛，在工业生产类以及客户消费类等的电子产品中，都需要开关电源来提供所需的电压来使设备能够正常工作。开关电源的作用主要是将输入的交流电转换为所需的输出稳定的直流电。
当代电子设备需要稳定的直流电源输出以及高效率的输电方式。开关电源的应用可以节省设备的占地体积，新型材料的使用可以为国家节省材料资源，并且电能转换效率的大幅度提高能够节省能量，能耗减少，并且为国家带来可观的经济效益，方便了人们的生活，因此开关电源的发展会得到重视进而加快技术创新
2.原理分析及系统概述
2.1 直流开关电源原理
交流电压流入开关电源时首先要经过整流滤波电路，将交流电转为直流电，并且把来自电网、电动机等外部设备产生的干扰消除。再通过开关电源的核心电路DC-DC变换器进行功率变换，转变为高频的交流电，还能对输入与输出部分进行隔离，最后通过输出整流滤波电路输出稳定的直流电压。
2.2 电源的设计参数和要求
本文设计任务是设计一个输出电压为48v的直流开关电源，要求小型风力发电机发出的交流输入电压转换成所规定的直流输出电压。
具体数据如下表3.1所示：
3.主电路拓扑结构
本文要满足输入交流电压为72v，77Hz以及输入交流电压为120v，182Hz时能够使输出的直流电压达到48v，经过分析与比对选择降压式(Buck)直流变换器来作为48v直流开关电源的主拓扑结构，Buck变换器的设计如图4.1所示。
3.1 Buck变换器参数设计
3.1.1 Buck变换器性能指标
输入电压：Vin=72-120V AC;
输出性能：Vout=48V DC;
Vout(p-p)<10mv;
Iout=2.5A;
开关频率：fs=100KHz。
3.1.2 占空比
根据Buck变换器的性能指标要求及Buck变换器输入输出电压之间的关系求出占空比D的变化范围：
3.1.3 滤波电感
变换器轻载时，如果工作在电流连续区，那么为了保持一定的输出电压，开关管导通时间很短。如果这个时间小于开关管的存储时间与最小控制时间之和，变换器的输出将出现失控或输出纹波加大。所以以最小输出电流Iomin作为电感临界连续电流来设计电感，即。
4 控制电路
控制电路能够控制主电路的输出电压按照其设定的技术指标来运行，需要根据所设计开关电源的元器件负载情况、所需要完成的功能以及工作模式等因素来合理设计符合要求的控制电路，本文控制电路如图4.1所示。
4.1 环路控制电路
本开关电源的设计电路中采用环路控制电路来进行，本环路控制电路中采用电压环路来控制电路。环路控制电路的电路结构较简单，因此调试也较为容易。
4.1.2 电压采样电路
采样电路是包括了模拟信号的输入与输出以及一个控制信号的输入，采样电路的特点是当开关电源断开时，它能够一直保持开关断开前输入信号的瞬时值。本次开关电源的设计中采样电路采用非常典型的电阻分压反馈器。采样电路结构图如图4.2。
图4.2 是由两个典型电阻分压反馈器组成，其中R9、R10构成一组电阻分压器，这一组连接PI控制电路，使开关电源的输出能够达到规定输出电压48v。
而另一组电阻R3、R17组成的电阻分压器接入保护电路中使开关电源中的最高电源为50v。
5.辅助电路
通常可以将除主电路结构以及控制电路以外的电路统称为辅助电路，开关电源还需要整流滤波电路来排除来自外部电网等信号的干扰，维持开关电源的电源品质，需要保护电路来使开关电源设备免受由于元器件故障等内部原因，同时还需要驱动电路给主电路一个较大的信号，加大其转换效率。
5.1整流桥的选择
小功率开关电源可直接选择成品整流桥来完成桥式整流，本设计电路中umax=120v，由式6.1算出UBR=212v，由于整流管按照耐压值的选取原则，需要选取较高电压的整流桥来提高整流桥的安全性，所以可选反向耐压400v的整流桥，所选整流桥如图5.1所示
5.2 电压过载保护电路
在本设计中使用电压过载保护电路，并且过载保护电路中采用滞环比较器，当输出电压超过50v时滞环比较器开始工作，当输出电压低于49v时滞环比较器停止工作，在电路运行时重复这个过程，由于滞环比较器限制了最高电压为50v时开始运行所以不会损坏负载并且不用将电源切断，电路结构简单并且能保证输出电压满足设计要求。图6.4为过压保护电路图。
电阻R21上端接在R3和R17之间，电阻分压比例近似为10：1，因为V4电源为5v所以保护电路设计的最大电压为50v，当超过这一电压值时保护电路启动。
5.3驅动电路
在本设计中由三角波发生器产生三角波信号与控制电路中的控制信号经过LM339M比较器产生PWM信号，但由于产生的PWM信号的续流能力较弱，所以需要添加一个三极管图腾驱动电路来加强PWM信号，由于产生信号较强，所以在驱动电路与主电路的连接之间还需要加入一个隔离驱动，使主电路的安全性加强。驱动电路的结构如图5.3所示。
6.结束语
本文为48v直流开关电源的设计，在本次设计中完成了对主电路拓扑结构的选择以及对控制电路和保护电路的设计。针对小型风力发电机发出来的交流输入电压部分，主电路拓扑结构采用Buck变换器来对输出电压进行降压设计，较好的实现了系统的要求。本文的设计主要从以下几个部分展开：
首先本文详细的分析了开关电源的发展背景以及今后的发展趋势，对开关点电源有了初步的了解。
然后详细了解了一些主要的拓扑结构的功能和应用，根据其不同的特点选择合适的拓扑结构，本文的主电路采用Buck变换器对开关电源进行降压设计。在计算参数时对照元器件参数表进行选择，能够持续输出电流。
对于控制电路采用电阻分压电路和PI控制通过比例计算使输出电源值为48v，同时产生的输出控制信号与三角波形成PWM信号，给驱动电路提供一个输入高电平，驱动电路启动。
保护电路采用滞环比较，通过电阻分压反馈器设计出保护电路的最大允许输出电压为50v，超过这一值时保护电路便会工作。同时驱动电路将脉冲信号放大，提高开关管的动作速度，进而提升开关电源的效率。
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作者：甘子玥
在当前的社会环境中，信息技术的发展速度十分迅猛，这也使得各种各样的电子设备得到了广泛的普及应用，而无论何种电子设备，其都需要稳定的电源提供支持。而线性电源就属于一种常用的电源，然而，线性电源自身所具备的缺点也十分明显，其内部输入电压的有效范围相对较窄，输出的电压也必须要低于输入电压，并且其整体体积相对较大，在某些特殊场合当中无法达到基本的使用需求。而开关转换器则是通过开关管，对基本的开合状态进行更加全面的控制，使得电能的各种形态能够更好地适用于开关当中，确保输入电压能够稳定控制在一定范围当中，同时，在开关电源进行正常工作的过程中，也可以采用高频的DC/DC转换器，使得开关电源转换器能够具备高频化特征，这就形成了高频开关电源。
一、当前电力高频开关电源的主要发展方向
(一)标准化以及模块化
开关电源设备的标准化转变，使得开关电源的应用范围更加广泛，这也进一步突出了开关电源标准化发展的重要作用。而实现开关电源标准化发展的关键就在于整合不同用户所提出的基本需求，并针对性地制定出相应的要求内容，以此为基础来对研制生产环节加以规范，同时，标准化还能够更好地协调科研、生产以及使用三者之间的具体关系，确保开关电源系统自身具备更加科学合理的指标性能。而电力高频开关电源的模块化。主要就是将部分具备着特殊功能的電路进行集成处理，实现最佳的性能，提升整体资源利用率，而在当前的社会环境中，整体集成度也呈现出一种不断提升的状态，而将电力高频开关电源当中一些特殊功能有效集成在一起，能够强化其总体性能，在便于群众使用的同时，提高应用系统自身的稳定性。
(二)数字化以及智能化
电力高频开关电源设备的数字化发展，就是将现代化的数字信号应用到其中，以此来代替传统的模拟信号，从而更好地完成一些制定功能。而在当前嵌入式的发展模式当中。可以明显看出开关电源数字控制以及模拟控制这两种现代化技术，其必然会在未来的发展进程中处于一种长期共存的状态，这也进一步突出了数字化发展的重要性。而电力高频开关电源的智能化，则是通过传感器与计算机设备之间的有效结合来实现一些特殊功能，比如在电能变换电源设备当中实现自我诊断或是预先报警，并对设备生产、设备配送以及设备维修的全过程智能化精确管理等。
(三)高频化以及小型化
在当前的社会环境当中，软开关技术得到了较为全面的发展优化，并且逐渐向着成熟化的方向转变，这也使得那些中功率器件内部的开关频率逐步提升。而随着功率开关器件频率的逐步提升，开关电源自身的重量以及体积必然会随之减少，并且具备更加优异的性能。因此，开关电源设备未来的主要发展趋势就在于小型化以及高频化，甚至还会出现频率在1MHZ的开关电源，有着更高的工作效率。
二、电力高频开关电源的具体设计分析
(一)电力高频开关电源的工作原理
开关电源主要就是通过脉宽调制波来对MOS管的开关时间比进行更加全面的控制，并输出稳定电压的一种电源。而在线性电源当中，开关管处在线性的工作状态，而PWM开关电源则会让开关管处在关断或是开通状态，这也是PWN开关电源与线性电源最为明显的差异之处。而在这两种工作状态当中，开关管所产生的功率消耗相对较低，而出现这一情况的主要原因就在于开关管在导通过程中，虽然电流相对较大，但整体电压却比较低，在开关管关断时虽然电压会提升，但电流却会减小，使得开关管当中的伏安乘积就是其所产生的具体损耗，由此可以看出，其所产生的损耗比较低。而与传统的线性电源不同，在PWN开关电源当中所采用的则是脉冲宽度调制的方式，以此来对电压展开稳定调节，开关电源中具备的中控芯片，能够对脉冲占空比进行更好的调节。通过对脉冲波形占空比进行调整的方式，来更好的控制开关管的导通时间以及截止时间，从而对输出端所输出的电压进行更加稳定的调节，而如果想要进一步提升输入电压，就可以采取增大匝比的方式。同时，变压器内部所输出的微端交流电压，其在经过整流滤波处理过后就能够得到相应的直流电压。而后通过输出电压的采样工作以及误差比较工作，将其中存在的误差信号传送至控制芯片当中，形成一种稳定的脉冲波形来对开关管的通断进行驱动，在控制能量传输状态的同时，维持电压的安全性以及稳定性。
(二)电力高频开关电源的电路设计
1、输入整流滤波电路。在电力高频开关电源当中，滤波电路具体囊括了输入低通滤波以及输入输出整流这两种类型，其中的输入低通滤波电路，能够对电网内部所传递的噪声以及开关电源反馈至电网当中的高频噪声进行滤除;输入整流滤波电路也被称作工频滤波电路，其不仅能够确保整流电压更加平滑，也能够确保电压保持自身原本的功能;而输入整流滤波则是一种高频滤波电路，能够将那些高频脉冲经过滤波处理后转变为平稳直流，还能够起到维持电流连续性的基本功能。而在具体的电路设计过程中，就可以采取共模电感来对电网内部产生的共模干扰进行科学合理的抑制，在L1当中，可以将两股线圈同方向的绕相在同一个铁芯当中，这样就能够根据电磁感应原理，使得电流可以在两个线圈当中进一步产生一种相同磁场，在共模电流相互抵消过后，就会产生一种增大绕组的感抗，使得共模电流在其中得到进一步衰减，从而达到滤波的主要目的。通常情况下，共模电感的典型值大约在10mH-50mH，而电容C1与共模电感之间所产生的漏感，可以用于削弱电网当中所产生的差模信号，而共模电感可以选择UU10.5 10mH。而变换器的具体结构，决定了输入端所输入的电流为直流电，但所需要输入的则是交流电，这就可以通过二极管所具备的单向导电性，进一步实现交流与直流之间的转换，应当采用四只二极管，将其进一步构建成一种桥式电路，交流电输入到其中过后，每半个周期就会有一组二极管进行导通处理，这种结构的集成化通常也被称作为整流桥，不仅能够降低开关电源的重量以及体积，还可以解决更大的成本。在对整流桥进行选择的过程中，则要考虑到耐受电流以及耐受电压等多方面因素，以此为基础来明确具体的整流桥选用型号。
2、高频变压器的设计。在电力高频开关电源当中，高频变压器自身的性能会直接影响到开关电源自身的整体性能，这也进一步突出了高频变压器在整体开关电源设计过程当中的重要性。通过科学合理的变压器设计，能够稳步提升开关电源的各方面性能。而在单片开关电源当中，变压器的性能更是会直接影响到电源效率，甚至还会对开关电源的电磁兼容指标等方面产生影响，因此，这就需要在综合考虑各方面因素后，设计出效率更高的变压器。变压器主要就是用来交换电流、阻抗以及电压的一种工具，在原边线圈当中如果出现了交流电，变压器的磁芯就会产生对应的交流磁通，使得副边线圈能够更好的感应到相应的电流或是电压。通常情况下，变压器主要是由线圈以及磁芯这两部分所构成，线圈又可以详细划分为初级绕组与次级绕组，其中与电源进行连接的绕组就是初级绕组，而剩下的线圈则被称为次级绕组。如表1所示，在高频开关电源当中，高频变压器能够起到隔离高于输入端与低压输出端以及能量传输的重要作用，所以，这就需要在明确常用磁性材料基本性能的前提上，控制好相应的电感量，避免出现磁饱和现象，以此来计算出更加合适的气隙，这也是变压器制作过程当中的重要设计环节。
三、结论
在信息化时代中，各类电子设备在运转过程中都需要采用高频开关电源。因此，为了确保开关电源能够向着高功率密度化以及高频化的方向发展，就必须要对电源开关以及变压器涉及到的各种参数进行科学合理的设计，进一步找寻出最为优质的设计方案，在根本上提升电力高频开关电源的整体质量。
作者：时东阳
摘 要： 开关电源系统往往由于电压电流双环控制的使用而导致一些扰动，扰动的产生一定程度上影响着开关电源的稳定性，开关电源系统稳定性状态关键是取决于系统电流是否对扰动如何作出收敛响应，而系统电流收敛的发生一般有两种途径，一是在空占比（D）小于0.5时产生收敛，一是空占比（D）大于0.5时产生收敛，而D小于0.5时，电流扰动量即电流发生的误差Δin将会慢慢的衰减一直到零，从而使得系统趋于稳定；D大于0.5时，误差将会逐渐变大，使得系统不能正常工作，造成不稳定状态，因此，在扰动发生之后，通过补偿电路以确保空占比在0.5以下，来确保系统的稳定，将从开关电源系统不稳定性的分析入手，探讨斜波补偿的过程，并提出一些建议。
关键词： 开关电源；稳定性；补偿电路
开关电源中，其核心是DC-DC变换器，DC-DC变换电路能够促使直流电压实现大范围的升、降，并且实现的效率较高、比较容易控制，因此其在工业控制和电力传输等领域中应用广泛。可是，DC-DC变换电路也可能存在一定的偏差，如谐波振荡误差等，产这些偏差将直接影响到电源系统的稳定性。而采取斜波补偿电路将有效改善开关电源系统的稳定性。
1 开关电源系统不稳定现象分析
下面主要分析谐波振荡等引起开关电源系统丧失稳定性的原理和原因。谐波振荡是由峰值电流取样和固定频率同时工作所形成的结果，其发生的原理如下图1所示。当开关电源的输入电压和负载发生变化时，从而会引起开关电源电流发生变化，即发生扰动，在扰动产生后，系统能否趋于稳定的运作，关键在于系统电流是否对扰动如何作出收敛响应。而系统电流收敛的发生一般有两种途径，一是在空占比（D）小于0.5时产生收敛，一是空占比（D）大于0.5时产生收敛。这两种收敛环境下，系统对扰动所表现出的稳定性状态是不同的，如图1所示。
图1 电流DC-DC下的电流谐波振荡
设I0为扰动没有发生时的电感电流初始值，设Δi0为电流上升时产生的扰动量，设Δi1为电流下降时产生的扰动量，设Δd为电感电流占空比发生的扰动量，设m1为电流在上升时所发生的斜率，设m2为电流在下降时所产生的斜率，它们之间的关系式如下：
所以，在m2/m1小于1时，也即D小于0.5时，电流扰动量即电流发生的误差Δin将会慢慢的衰减一直到零，从而使得系统趋于稳定；但是，如果m2/m1大于1时，也即D大于0.5时，电流扰动量即电流发生的误差Δin将会变得越来越大，从而致使整个开关电源变得不够稳定，系统失去控制，将严重影响着开关电源系统的正常工作，即DC-DC变换电路将不能正常工作，丧失其稳定性。
2 开关电源系统稳定性补偿电路的设计原理
2.1 控制电压斜率调整
由于电感电流在连续状态下，其占空比在百分之五十之下时，从而由扰动所导致的电流误差即ΔI将会在后面的一些周期内实现自动恢复，以实现正常的电流工作状态。可是，如果其电感电流的占空比在百分之五十以上，则在其后的几个周期内，其误差ΔI将不会减小反而有加大的趋势。这主要是因为，电感电流占空比>50%的时候，其电流衰减斜率m2跟上升斜率m1的比值大于1，上面已经说过，在m2/m1>1时，将会引起变换电路出现不稳定性，其发生的振荡将不会自动收敛。因此，解决这种问题的办法主要是要对m2/m1的值进行调整，即对电感电流斜率m1、m2进行补偿，从而实现m2/m1小于1的目的。所以，为了解决D大于0.5所产生的开关电源不稳定问题，应该对电感电流上升时所发生的斜率m1采取斜坡补偿措施，即使m1增大，也就是降低占空比D，使D减小到0.5以下。而使Δi0增加实际上是通过电流反馈的电压值（Vs）增加来实现的，这跟误差放大器的输出电压值（Vc）的减小是一样的，即实际应用中，Vs的增加和Vc的减小效果一样，致使Vs增加可能比Vc的减小更方便而已。主要电路设计应有两种方法，下面将进行论述。
2.2 补偿电路设计
下面对斜率补偿的外围电路进行设计。
1）控制电压补偿
控制电压补偿主要是在控制电压误差放大器输出电压值（Vc）上设置斜坡补偿电压而构成一个新的控制电压，将其输入到PWM比较器的一端，跟比较器的另一端的电流反馈电压值（Vs）进行比较。其补偿原理如图2所示：
图2 控制电压补偿
其中，设斜坡补偿中的电压斜率为m。通过几何方法从而求得一个周期
此式子表明了控制电压斜坡补偿跟开关电源的稳定性之间所存在的关系，即：① 如果在系统中没有设置斜坡补偿，也就是设m为0，这时，要想保证
开关电源的稳定，其必须使占空比小于0.5；② 如果在系统中设置了斜坡补偿，那么在补偿斜率m大于1/2m2时，即斜坡补偿斜率小于电流下行斜率的二分之一，则无论空占比D为0-1区间的任何取值， 将恒成立，从而表明开关电源始终是趋于稳定的。
2）电感电流补偿
采取电感电流补偿原理主要是在电流反馈Vs处加入斜坡补偿电压，电感电流补偿原理图如图3所示：
图3 电流斜率补偿
电流补偿主要在电流反馈电压值Vs上设置通过振荡器产生的振荡电路波形而形成的补偿电压，从而形成一个补偿后的反馈电压，将其输入到PWM比较器的一端，跟PWM比较器的另一端（设置为控制电压）即Vc进行比较，从而对芯片的占空比进行调控，调控的方法跟上面控制电压补偿中一样。通过电感电流补偿电路跟前面的控制电压补偿电路相比，其效果是相当的，只是看起来，电感电流补偿电路要比控制电压补偿电路简单、方便，因此，笔者推荐电感电流补偿的应用。
3 结束语
总之，开关电源往往因为电压电流双环控制的使用，从而导致一些扰动，如果扰动处理不当将影响到开关电源的正常工作，干扰信号将通过驱动信号输入到环路，从而在输出端形成谐波振荡。谐波震荡的产生一定程度上影响了开关电源系统的稳定性，其应该采取斜率补偿的措施予以纠正。其中可以采取控制电压补偿和电感电流补偿两种措施进行，即将m2/m1控制在1以下或者将D控制在0.5以下。但是，无论是控制电压斜坡补偿，还是电感电流斜坡补偿，其补偿斜率m要大于m2的二分之一，其斜率m越大，那么促使振荡衰减的速度将会越快，可是，补偿斜率m也不能过大，如果过大，将会造成过补偿。过补偿超过开关电源系统中电流限制指标，将会对开关电源系统产生其他影响，使开关电源的带载能力降低；同时，也会影响开关电源的瞬态响应性。笔者建议，在实际操作中，一般将m取值为0.7-0.8m2为最优，其能确保开关电源的稳定性。
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作者：钱丽英
开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究.txt每天早上起床都要看一遍“福布斯”富翁排行榜，如果上面没有我的名字，我就去上班。谈钱不伤感情，谈感情最他妈伤钱。我诅咒你一辈子买方便面没有调料包。开关电源可靠性设计研究 [转帖] 开关电源可靠性设计研究
---- 摘要：对影响军用PWM型开关稳压电源可靠性的因素作出较为详细的分析比较，并从工程实际出发提出一些提高开关电源可靠性的建议。 关键词：开关电源 可靠性 1 引言
电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性。
2 开关电源电气可靠性设计 2.1 供电方式的选择
集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，容易组成N+1冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。 2.2 电路拓扑的选择
开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60%降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60%降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。 2.3 控制策略的选择
在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护;优良的电网电压调整率;迅捷的瞬态响应;环路稳定，易补偿;纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型。 硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。 2.4 元器件的选用
因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四个方面： (1)制造质量问题
质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除，在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。 (2)元器件可靠性问题 元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件失效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求： ①电阻在室温下按技术条件进行100%测试，剔除不合格品。
②普通电容器在室温下按技术条件进行100%测试，剔除不合格品。 ③接插件按技术条件抽样检测各种参数。 ④半导体器件按以下程序进行筛选：
目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试 筛选结束后应计算剔除率Q Q=(n / N)×100% 式中：N——受试样品总数; n——被剔除的样品数;
如果Q超过标准规定的上限值，则本批元器件全部不准上机，并按有关规定处理。 在符合标准规定时，则将筛选合格的元器件打漆点标注，然后入专用库房供装机使用。 (3)设计问题
首先是恰当地选用合适的元器件：
①尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。 ②多采用集成电路，减少分立器件的数目。
③开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。 ④输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。
⑤应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。
⑥集成电路必须是一类品或者是符合MIL-M-38
510、MIL-S-19500标准B-1以上质量等级的军品。
⑦设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。 ⑧原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。
⑨吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。
在潮湿和盐雾环境下，铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况，所以在舰船和潮湿环境，最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。
钽电解电容温度和频率特性较好，耐高低温，储存时间长，性能稳定可靠，但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。 关于降额设计：
电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的元器件外，其它均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低，所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度，除可靠性外还需考虑体积、重量、成本等因素。不同的元器件降额标准亦不同，实践表明，大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，以下为开关电源常用元器件的降额系数：
①电阻的功率降额系数在0.1～0.5之间。
②二极管的功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。 ③发光二极管电压降额系数在0.6以下，功率降额系数在0.6以下。 ④功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下。 ⑤普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3～0.7之间。 ⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下。
⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。 (4)损耗问题
损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短，与工作应力无关。铝电解电容长期在高频下工作会使电解液逐渐损失，同时容量亦同步下降，当电解液损失40%时，容量下降20%;电解液损失0%时，容量下降40%，此时电容器芯子已基本干涸，不能再予使用。为防止发生故障，一般情况下应在图纸上标明铝电解电容器更换的时间，到期强迫更换。 2.5 保护电路的设置
为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应设置多种保护电路，如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。 3 电磁兼容性(EMC)设计
开关电源因采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，这是影响可靠性的不利因素，因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。
产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。
对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽，从10kHz～30MHz，我们虽然知道产生干扰的原因，但从效率上来讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法，解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路，参见图2。电源EMI滤波器实际上是一种低通滤波器，它毫无衰减地把50Hz或400Hz交流电能传递给电子设备，却大大衰减传入的干扰信号，同时又能抑制设备本身产生的干扰信号，防止它窜入电网，危害公网其它设备。选择EMI滤波器是根据插入损耗的大小来选择滤波器网络结构和元器件参数，根据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源EMI滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。抑制输出噪声的对策基本上按10kHz～150kHz、150kHz～10MHz、10MHz以上三个频段来解决。10kHz～150kHz范围内主要是常态噪声，一般采用通用LC滤波器来解决。150kHz～10MHz范围内主要是共模成分的噪声，通常采用共模抑制滤波器来解决。共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料，电感量在(1～2)mH、电容量在3300pF～4700pF之间，如果控制低频段的噪声，可以适当加大LC的取值。在10MHz以上频率段的对策是改进滤波器的外形。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰，这种情况可以采用RC吸收电路来抑制电流的上升率，通常R在(2～20)Ω之间，C在1000pF～10nF之间，C应选用高频瓷介电容。
良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防止由噪声导致的误动作，应注意以下几点：
①尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。 ②缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。
③脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。
④控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。 ⑤必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。
⑥采用多只低ESR(等效串联电阻)的电容并联滤波。 ⑦采用铜箔进行低感低阻配线。
⑧相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角。禁止环形走线。
⑨滤波器的输入和输出线必须分开。禁止将开关电源的输入线和输出线捆扎在一起。 对于辐射干扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。 4 电源设备可靠性热设计
除了电应力之外，温度是影响设备可靠性最重要的因素。电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加，温度超过极限值时将导致元器件失效。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%;温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。需要在技术上采取措施限制机箱及元器件的温升，这就是热设计。热设计的原则，一是减少发热量，即选用更优的控制方式和技术，如移相控制技术、同步整流技术等，另外就是选用低功耗的器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源的效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移，这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法。
强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上，但是要增加风机、风机电源、联锁装置等，这不仅使设备的成本和复杂性增加，而且使系统的可靠性下降，另外还增加了噪声和振动，因而在一般情况下应尽量采用自然冷却，而不采用风冷、液冷之类的冷却方式。在元器件布局时，应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部，散热器采用氧化发黑工艺处理，以提高辐射率，不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热效果，需要适当加大裕量。散热器安装器件的平面要求光滑平整，一般在接触面涂上硅脂以提高导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升。 5 安全性设计
对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能之一，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防止触电和烧伤。
对于商用设备市场，具有代表性的安全标准有UL、CSA、VDE等，内容因用途而异，容许泄漏电流在0.5mA～5mA之间，我国军用标准GJB1412规定的泄漏电流小于5mA。电源设备对地泄漏电流的大小取决于EMI滤波器电容Cy的容量，如图2所示。从EMI滤波器角度出发电容Cy的容量越大越好，但从安全性角度出发电容Cy的容量越小越好，电容Cy的容量根据安全标准来决定。若电容Cx的安全性能欠佳，电网瞬态尖峰出现时可能被击穿，它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器丧失滤波功能。为了防止误触电，插头座原则上产品端(非电源端)为针，电网端(电源端)为孔;电源设备之输入端为针，输出端为孔。
为了防止烧伤，对于可能与人体接触的暴露部件(散热器、机壳等)，当环境温度为25℃时，其最高温度不应超过60℃，面板和手动调节部分的最高温度不超过50℃。 6 三防设计
三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。
在设计时，对于密封有要求的元器件应采取密封措施;对于不可修复的组合装置可采用环氧树脂灌封;所用元器件、原材料的吸湿度应较小，不得使用含有棉、麻、丝等易霉制品;对密封机箱、机柜应设置防护网，以防昆虫和啮齿动物进入;直接暴露在大气中装置的外顶部不应采用凹陷结构，避免积水导致腐蚀;可以选用耐蚀材料，再通过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，隔离周围介质;在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境;对印制板及组件表面涂覆专用的三防清漆可以有效地避免导线之间的电晕、击穿，提高电源的可靠性;电感、变压器应进行浸漆、端封，以防潮气进入引发短路事故。 7 结语
以上建议只适用于军用电源，对于商用和工业用产品可以在某些方面作出不同的选择。总之，电源设备可靠性的高低，不仅与电气设计，而且同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等方面有关。可靠性是以设计为基础，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠性。
散热设计的一些基本原则
从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则: ·对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列,如图3示;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列. ·同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游. ·在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响. ·对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局. ·设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板.空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题. 电子设备散热的重要性
在电子设备广泛应用的今天.如何保证电子设备的长时间可靠运行,一直困扰着工程师们.造成电子设备故障的原因虽然很多,但是高温是其中最重要的因素(其它因素重要性依次是振动Vibration、潮湿Humidity、灰尘Dust),温度对电子设备的影响高达60%.
温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示: F = Ae-E/KT 其中: F = 故障率, A=常数 E = 功率
K =玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K) T = 结点温度
随着芯片的集成度、功率密度的日愈提高,芯片的温度越来越成为系统稳定工作、性能提升的绊脚石.作为一个合格的电子产品设计人员,除了成功实现产品的功能之外,还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命,环境适应能力等等.而这些都和温度有着直接或间接的关系.数据显示,45%的电子产品损坏是由于温度过高.可见散热设计的重要性. 如何对产品进行热设计,首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础依.如何理解Datasheet的相关参数呢?下面将对Datasheet中常用的热参数逐一说明.
一、 Datasheet中和散热有关的几个重要参数
P--芯片功耗,单位W(瓦).功耗是热量产生的直接原因.功耗大的芯片,发热量也一定大.
Tc--芯片壳体温度,单位℃.
Tj--结点温度,单位℃.随着结点温度的提高,半导体器件性能将会下降.结点温度过高将导致芯片工作不稳定,系统死机,最终芯片烧毁.
Ta--环境温度,单位℃.
Tstg--存储温度,单位℃.芯片的储存温度.
Rja/θja--结点到环境的热阻,单位℃/W.
Rjc/θjc--结点到芯片壳的热阻,单位℃/W
Ψjt--可以理解为结点到芯片上表面的热阻.当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数.
LFM--风速单位,英尺/分钟. 提供最大Ta、Tj、P--早期的芯片Datasheet一般都是这种.理论上我们只需要保证芯片附近的环境温度不超过这个指标就可以保证芯片可以正常工作.但是实际并非如此.Ta这个参数是按照JEDEC标准测试而得.JEDEC标准是这样定义的:把芯片置于一块3X4.5英寸的4层PCB中间,环境温度测试探头距离这块PCB的板边缘12英寸.可见我们产品几乎不可能满足这种测试条件.因此,Ta在这里对我们来说,没什么意义.在这种情况下保守的做法是:保证芯片的壳体温度Tc﹤Ta-max,一般来说芯片是可以正常工作的.>br> 直接提供Tc-max--这种情况相对较少,处理也相对简单.只需保证Tc﹤Tc-max即可.>br> 提供Tj、Rjc/θjc、P--近2年来,随着热设计的重要性不断提高,大部分的芯片资料都会提供上述参数.基本公式如下: Tj=Tc+Rjc*P
只要保证Tj﹤Tj-max即可保证芯片正常工作.
归根结底,我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值,芯片就可以正常工作. 如何判断芯片是否需要增加散热措施
第一步:搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc、Tj等
第二步:计算Tc-max:Tc-max=Tj- Rjc*P
第三步:计算要达到目标需要的Rca:Rca=(Tc-max-Ta)/P
第四步:计算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc
如果Rca大于 Rca’,说明不需要增加额外的散热措施.
如果Rca小于Rca’,说明需要增加额外的散热措施.比如增加散热器、增加风扇等等.
如前所述,Rja不能用于准确的计算芯片的温度,所以这种方法只能用于简单的判断.而不能用于最终的依据.下面举一个简单的例子: 例:某芯片功耗——1.7W;Rja——53℃/W;Tj——125℃;Rjc——25℃/W,芯片工作的最大环境温度是50℃.判断该芯片是否需要加散热器,散热器热阻是多少.
Tc-max=Tj- Rjc*P =125℃-25℃/W*1.7W
=82.5℃
Rca=(Tc-max-Ta)/P =(82.5-50)1.7 =19.12℃/W
Rca’=Rja-Rjc =53-25 =28℃/W
Rca小于Rca’,所以需要增加散热器.
散热器的热阻假设为Rs,则有: Rs//Rca’小于Rca Rs*28/(Rs+28)小于19.12 Rs小于60.29℃/W
所以选用的散热器热阻必须小于60.29℃/W.
在普通的数字电路设计中,我们很少考虑到集成电路的散热,因为低速芯片的功耗一般很小,在正常的自然散热条件下,芯片的温升不会太大.随着芯片速率的不断提高,单个芯片的功耗也逐渐变大,例如:Intel的奔腾CPU的功耗可达到 25W.当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时,就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放,使芯片工作在正常温度范围之内. 通常条件下,热量的传递包括三种方式:传导、对流和辐射.传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递,对流是借助流体的流动传递热量,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量. 在实际应用中,散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用.散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器,散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也能带走更大的热能.风扇的使用也分为两种形式,一种是直接安装在散热器表面,另一种是安装在机箱和机架上,提高整个空间的空气流速.与电路计算中最基本的欧姆定律类似,散热的计算有一个最基本的公式: 温差 = 热阻 × 功耗
在使用散热器的情况下,散热器与周围空气之间的热释放的"阻力"称为热阻,散热器与空气之间"热流"的大小用芯片的功耗来代表,这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样.同样,散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻.热阻的单位为℃/W.选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻.热阻越小,散热器的散热能力越强. 风冷散热原理
从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在时,就必然发生热从高温处传递到低温处,这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象.而热传递的方式有三种:辐射、对流、传导,其中以热传导为最快.我们要讨论的风冷散热,实际上就是强制对流散热. 对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热导热介质,再由介质传至散热片基部,由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流,将热量散发到空气中.风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程. 对流换热即受导热规律的支配,又受流体流动规律的支配,属于一种复杂的传热过程,表现在对流换热的影响因素比较多. 1.按流体产生流动的原因不同,可分为自然对流和强制对流. 2.按流动性质来区分,有层流和紊流之别.流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果.一般以雷诺数(Re)的大小,作为层流或紊流的判断依据. 3.流体的物性对对流换热的影响.例如,粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等,它们随流体不同而不同,随温度变化而变化,从而改变对流换热的效果. 4.换热表面的几何条件对对流换热的影响.其中包括: 1)管道中的进口、出口段的长度,形状以及流道本身的长度等; 2)物体表面的几何形状,尺寸大小等; 3)物体表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度; 4)物体表面的位置(平放、侧放、垂直放置等)以及流动空间的大小. 5.流体物态改变的影响. 6.换热面的边界条件,如恒热流、恒壁温等,也会影响对流换热. 7.风量和温度的关系 T=Ta+1.76P/Q 式中
Ta--环境温度,℃ P--整机功率,W Q--风扇的风量,CFM T--机箱内的温度,℃
举一个电路设计中热阻的计算的例子: 设计要求: 芯片功耗: 20瓦
芯片表面不能超过的最高温度: 85℃
环境温度(最高): 55℃ 计算所需散热器的热阻. 实际散热器与芯片之间的热阻很小,取01℃/W作为近似.则
(R + 0.1)× 20W = 85℃ - 55℃
得到 R = 1.4 ℃/W
只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃.
使用风扇能带走散热器表面大量的热量,降低散热器与空气的温差,使散热器与空气之间的热阻减小.因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示.如下例: 风速(英尺/秒) 热阻(℃/W) 0 3.5 100 2.8 200 2.3 300 2.0 400 1.8 PCB表面贴装电源器件的散热设计
以Micrel公司表贴线性稳压器为例,介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作. 1.系统要求: VOUT=5.0V;VIN(MAX)=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;运行周期=100%;TA=50℃
根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A-5.0BU稳压器,其参数为: VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况) TJ MAX=125℃.采用TO-263封装,θJC=3℃/W; θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上).
2.初步计算: VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W 温度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;热阻θJA(最坏情况):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W.
散热器的热阻, θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大).
3.决定散热器物理尺寸: 采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔,并采用1.3米/秒的空气散热的方案相比较,后者的散热效果最好.
采用实线方案,保守设计需要5,000mm2的散热铜箔,即71mm×71mm(每边长2.8英寸)的正方形.
4.采用SO-8和SOT-223封装的散热要求:
在下面的条件下计算散热面积大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃.在允许的条件下,电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件.SO-8能满足这个要求吗?采用MIC2951-03BM(SO-8封装),可以得到以下参数: TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W.
5.计算采用SO-8封装的参数: PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W; 升高的温度=125℃-50℃=75℃; 热阻θJA(最坏的情况): ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W; θSA=51-100=-49℃/W(最大).
显然,在没有致冷条件下,SO-8不能满足设计要求.考虑采用SOT-223封装的MIC5201-5.0BS调压器,该封装比SO-8小,但其三个引脚具有很好的散热效果.选用MIC5201-3.3BS,其相关参数如下: TJ MAX=125℃
SOT-223的热阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的) .
6.计算采用SOT-223封装的结果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W 上升温度=125℃-50℃=75℃; 热阻θJA(最坏的情况): ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大).根据以上的数据,参考图1,采用1,400 mm2的散热铜箔(边长1.5英寸的正方形)可以满足设计要求.
以上的设计结果可以作为粗略的参考,实际设计中需要了解电路板的热特性,得出更准确、满足实际设计的结果. 散热器材料的选择: 散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意!目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数: 金 317 W/mK 银 429 W/mK 铝 401 W/mK 铁 237 W/mK 铜 48 W/mK AA6061型铝合金 155 W/mK AA6063型铝合金 201 W/mK ADC12型铝合金 96 W/mK AA1070型铝合金 226 W/mK AA1050型铝合金 209 W/mK 热传导系数的单位为W/mK,即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K=1℃)时的热传导功率. 热传导系数自然是越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格.热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作计算机空冷散热片.铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件,在计算机相关散热片中使用较少,但近两年随着对散热设备性能要求的提高,越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料.铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,寄此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择.
各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域.上表中列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用.ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及ADC12.AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片. 风扇的选择: 风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分,对散热效果起着至关重要的作用,是散热器中唯一的主动部件;同时,更对散热器的工作噪音有着决定性的影响.风扇在散热中的职责为:凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式. 散热片即使结构再复杂,也只是一个被动的热交换体;因此,一款风冷散热器能否正常“工作”,几乎完全取决于风扇的工作状态.在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下,仅仅是更换更加合适、强劲的风扇,也可以令散热效果获得大幅度的提升;反之,如果风扇搭配不合适或不够强劲,则会使风冷散热器效能大打折扣,令散热片与整体设计上的优点被埋没于无形;更有甚者,由于风扇是风冷散热器中唯一确实“工作”的部分,它本身的故障也就会导致散热器整体的故障,令其丧失大部分的散热性能,进而引起系统的不稳定或当机,甚至因高温而烧毁设备. 风扇可分为:含油轴承、单滚珠轴承、双滚珠轴承、液压轴承、来福轴承、Hypro轴承、磁悬浮轴承、纳米陶瓷轴承等,下面是其性能比较表
从由表中可以看出,轴承技术对风扇的性能、噪音、寿命起着重要的决定性作用,实际选购风扇时必须加以注意.通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面要求综合考虑:
1.性能不高,噪音小,价格低,含油轴承是唯一的选择,但寿命较短,使用一段时间后噪音可能会逐渐增大,需做好维护或更换的心理准备. 2.性能强悍,寿命长,价格不高,滚珠轴承是不二之选,但需忍受其工作时产生的较大噪音. 3.性能与噪音都没有特殊要求,但希望寿命长,价格不高,来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择. 4.性能好,噪音低,寿命长,如此便不能对价格提出进一步的要求了,只要资金充足,液压、精密陶瓷等特色轴承技术都可列入选择范围之内. 5.对静音与寿命要求极高,磁悬浮轴承是仅有的选择,只是性能不佳,价格过高.
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