工程师不可不知的开关电源关键设计（二）

作者：时间：2012-06-19来源：网络收藏

　　1：常用的开关电源的原理——单端自激boost升压电路

　　如上图，开关电源利用电感电流不能瞬间改变的原理，用ctrl信号打开三极管，使得Vin通过电感和三极管向地流动。由于电感电流不能突变，因此，这个回路不能理解成短路，应理解成给电感充能。充能是通过电感流过的电流不断增大体现的，电流越大，电感的储能越多。

　　当电感电流增加到一定程度，用ctrl关闭三极管。则电感电流的回地的路就被切断。同样由于电感电流不能突变，因此，电流就会通过二极管流向电容。这样就完成一次电感通过二极管给电容充电的过程。Ctrl信号周期性不停止的复现，宏观上就形成从vin不断流向电容的电流。这个过程与vout和vin电压孰高孰低无关。意味着可升压，也可降压。

　　上面说的切断电感电流，迫使电流流向改变，一般叫做“反激”，上图的电感只有一个，反激点只有一个，叫做单端。有的电路用2个电感，交替进行电流流动。做直流逆变交流时，一般用2个电感，形成推挽效果。

　　2：如何实现稳压

　　上图是原理。由于vout的负载不确定，因此，vout不可能稳定在我们期望的电压上，可能是升压，也可能是降压。解决这个问题的办法是利用vout的电压进行反馈。当vout电压低于期望值时，反馈信号就会调整ctrl，使它打开三极管的时间相对延长。则电感充能更多，从而使vout上升。反过来也一样。

　　这样ctrl信号就有了个名字，叫pwm。一般是改变它的占空比。当vout电压不够时，增加pwm信号占空比，使得更多的电能流向vout。

　　3：占空比

　　从原理容易理解，pwm信号不能达到100%占空比，那样就真的短路了。当pwm信号占空比大到一定程度时，也就是刚好有时间让三极管能开关时，电感的充能达到极大值。这个电能必须能满足后续电路的消耗。这样就能使vout稳定在我们需要的电压上。

　　4：实用电路

　　有许多成熟芯片提供Pwm信号的产生，并提供反馈电压调整pwm的占空比，这类芯片叫开关电源芯片，是专门用来设计开关电源的。下图附一个成熟电路，是笔者在工程中应用的。

　　这个芯片把三极管集成到芯片内部，因此应用比较简单。因为它能提供的电流很小，是给lcd供电的。+12V后面还有一个10uF/25V的电容。

　　5：设计开关电源要注意的几个问题

　　A：注意电感的选择，应参照芯片资料，切忌理解成输出电流多大就用多大的电感，这是许多新手容易理解错的地方。例如，输出电流是0.5A，电感可不要选0.5A的哦，要按资料来选，一般是1A左右。如果电感的电流参数选小了，会很热。二极管也一样，电流参数不能按最终输出电流选。电感值的大小涉及到饱和电流的问题，即电流大到一定程度后呈现饱和状态，电流则会瞬间增大，不再受电流不能突变的约束。因此选择电感时，可以比资料的推荐值稍大一些。因为电感的误差比较大，市场常见的电感是±20%，所以宁大勿小的原则。买电感时要注意。

　　B：第1节的图里的三极管，从原理易得：其导通电阻越小越好，开关响应越快越好。这2个因素是决定效率的最主要的2个方面。一般选择mos管，要注意mos管的导通电阻和栅极寄生电容。芯片的输出能否驱动得了栅极，如果驱动栅极的能力不够，应使用LM5111等驱动芯片。

　　C：开关电源的噪声比较大，尤其它是给后续电路提供电源的，这使得后续电路的电源从骨子里就带噪声。这种噪声的消除，需要使用滤波电路，必要时用π型滤波。滤波要消耗电能，这与要达到的稳压效果成为一对矛盾，需要工程师权衡为达到某效果需要付出多大的滤波消耗。在开关电源后面串联线性电源(例如7805等)不能显著消除噪声。一味加大电容也不是办法，噪声仍然能够通过。不要期望既不付出电能消耗，又能消除噪声。但是串联电感器件的滤波电路确实更加节省一些。

　　D：开关电源两端隔离的做法是用3个线圈共轭，一个用于自激充能，一个用于输出，一个用于电压反馈。值得一提的是，这种隔离不能消除开关引起的各种噪声。噪声会沿着共轭电感传递，而且噪声的损耗很小。由于电压反馈变成非直接的反馈，这种电源一般具有较大的误差，但精度受影响很小，一般都带输出电压调整。市场常见的模块电源一般都带电压微调。

　　E：开关电源的地的布线。为了减少噪声，需给噪声尽量短的回地路线。第1节的图中用了2个地符号。这2个地最终要接在一起，需要注意的是，vout后端有个电容，在这个电容的负端把2个地接在一起。这样，开关芯片的噪声能最大程度的消耗在自己那边，能大大改善vout的噪声。

　　F：设计开关电源时，功率设计要至少保留1倍的余地，例如设计5V1A的开关电源，最大功率输出要能达到2A。不要按需求设计成1A的，那样会使pwm占空比接近最大值，电感、mos管等都会发热。一般掌握在稳定输出时，pwm在50%或稍小为宜。这样整个电路工作在一个“比较舒服”的情况下，噪声、发热等各方面综合性能都比较好。

　　G：开关电源的保护。从第1节的图可以看出，当某种原因造成ctrl电平为常高时，会导致电感和三极管烧毁。Ctrl常低还好些，但是vin会串到vout上，对后续电路造成欠压供电。常用的保护是在vin前端串联一个过流保护器件，它一般是热保护，电流过大会断开。过一会儿又导通。

四、开关电源的热设计方法解析

　　开关电源已普遍运用在当前的各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地提高.高功率密度的定义从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高达数百瓦每立方英寸.由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。它们工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平将会影响开关电源的正常工作,严重时会损坏开关电源.为提高开关电源工作的可靠性,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。

　　1.热设计中常用的几种方法

　　为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。

热阻模型等效电路