怎樣才能比較快地設計出開關電源電路

題目：

怎樣才能比較快地設計出開關電源電路

解答：

精工電源科技深圳有限公司: 曾憲明: 概述：1 電子產品,特別是軍用穩壓電源的設計是一個系統工程,不但要考慮電源本身參數設
計,還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、熱設計、安全性設計、三防設計等方面.因爲任何
方面那怕是最微小的疏忽,都可能導致整個電源的崩潰,所以我們應充分認識到電源產品可
靠性設計的重要性.
　　2 開關電源電氣可靠性設計
　　2.1 供電方式的選擇
集中式供電系統各輸出之間的偏差以及由於傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質量,
而且應用單台電源供電,當電源發生故障時可能導致系統癱瘓.分布式供電系統因供電單元
靠近負載,改善了動態響應特性,供電質量好,傳輸損耗小,效率高,節約能源,可靠性
高,容易組成N＋1冗餘供電系統,擴展功率也相對比較容易.所以採用分布式供電系統可以
滿足高可靠性設備的要求.
　　2.2 電路拓撲的選擇
開關電源一般採用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽
式、半橋、全橋等八種拓撲.單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關管的
承壓在兩倍輸入電壓以上,如果按60％降額使用,則使開關管不易選型.在推挽和全橋拓撲
中可能出現單向偏磁飽和,使開關管損壞,而半橋電路因爲具有自動抗不平衡能力,所以就
不會出現這個問題.雙管正激式和半橋電路開關管的承壓僅爲電源的最大輸入電壓,即使按
60％降額使用,選用開關管也比較容易.在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓撲.
　　2.3 控制策略的選擇
在中小功率的電源中,電流型PWM控制是大量採用的方法,它較電壓控制型有如下優點：逐
周期電流限制,比電壓型控制更快,不會因過流而使開關管損壞,大大減小過載與短路的保
護；優良的電網電壓調整率；迅捷的瞬態響應；環路穩定,易補償；紋波比電壓控制型小得
多.生產實踐表明電流控制型的50W開關電源的輸出紋波在25mV左右,遠優於電壓控制
型.
硬開關技術因開關損耗的限制,開關頻率一般在350kHz以下,軟開關技術是應用諧振原理,
使開關器件在零電壓或零電流狀態下通斷,實現開關損耗爲零,從而可將開關頻率提高到兆
赫級水平,這種應用軟開關技術的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優點,接近
理想的特性,如低開關損耗、恆頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制範圍及負載范
圍,但是此項技術主要應用於大功率電源,中小功率電源中仍以PWM技術爲主.
　　2.4 元器件的選用
　　因爲元器件直接決定了電源的可靠性,所以元器件的選用非常重要.元器件的失效主要
集中在以下四個方面：
　　（1)製造質量問題
　　質量問題造成的失效與工作應力無關.質量不合格的可以通過嚴格的檢驗加以剔除,在
工程應用時應選用定點生產廠家的成熟產品,不允許使用沒有經過認證的產品.
　　（2)元器件可靠性問題
　　元器件可靠性問題即基本失效率的問題,這是一種隨機性質的失效,與質量問題的區別
是元器件的失效率取決於工作應力水平.在一定的應力水平下,元器件的失效率會大大下
降.爲剔除不符合使用要求的元器件,包括電參數不合格、密封性能不合格、外觀不合格、
穩定性差、早期失效等,應進行篩選試驗,這是一種非破壞性試驗.通過篩選可使元器件失
效率降低1～2個數量級,當然篩選試驗代價(時間與費用)很大,但綜合維修、後勤保障、整
架聯試等還是合算的,研製周期也不會延長.電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求：
　　①電阻在室溫下按技術條件進行100％測試,剔除不合格品.
　　②普通電容器在室溫下按技術條件進行100％測試,剔除不合格品.
　　③接插件按技術條件抽樣檢測各種參數.
　　④半導體器件按以下程序進行篩選：
　　目檢→初測→高溫貯存→高低溫衝擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試
　　篩選結束後應計算剔除率Q
　　Q=(n / N)×100%
　　式中：N——受試樣品總數；
　　n——被剔除的樣品數；
　　如果Q超過標準規定的上限值,則本批元器件全部不准上機,並按有關規定處理.
　　在符合標準規定時,則將篩選合格的元器件打漆點標註,然後入專用庫房供裝機使
用.
　　（3)設計問題
　　首先是恰當地選用合適的元器件： ①儘量選用矽半導體器件,少用或不用鍺半導體器件.
　　②多採用集成電路,減少分立器件的數目.
　　③開關管選用MOSFET能簡化驅動電路,減少損耗.
　　④輸出整流管儘量採用具有軟恢復特性的二極體.
　　⑤應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件.禁止選用塑料封裝的器件.
　　⑥集成電路必須是一類品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500標準B－1以上質量
等級的軍品.
　　⑦設計時儘量少用繼電器,確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器.
　　⑧原則上不選用電位器,必須保留的應進行固封處理.
　　⑨吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近,因流過高頻電流,故易升溫,所
以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性.
在潮溼和鹽霧環境下,鋁電解電容會發生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況,所以在
艦船和潮溼環境,最好不要用鋁電解電容.由於受空間粒子轟擊時,電解質會分解,所以鋁
電解電容也不適用於航天電子設備的電源中.
鉭電解電容溫度和頻率特性較好,耐高低溫,儲存時間長,性能穩定可靠,但鉭電解電容較
重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>125V)較少、價格昂貴.
　　關於降額設計：
電子元器件的基本失效率取決於工作應力(包括電、溫度、振動、衝擊、頻率、速度、碰撞
等).除個別低應力失效的元器件外,其它均表現爲工作應力越高,失效率越高的特性.爲
了使元器件的失效率降低,所以在電路設計時要進行降額設計.降額程度,除可靠性外還需
考慮體積、重量、成本等因素.不同的元器件降額標準亦不同,實踐表明,大部分電子元器
件的基本失效率取決於電應力和溫度,因而降額也主要是控制這兩種應力,以下爲開關
　　電源常用元器件的降額係數：
①電阻的功率降額係數在0.1～0.5之間.
②二極體的功率降額係數在0.4以下,反向耐壓在0.5以下.
③發光二極體
(2)首先分析了現代開關電源的優缺點及其發展狀況,在傳統開關電源的基礎上設計了一種新型的帶全面檢測和保護功能的開關電源,該電源輸入帶雷電浪湧保護,並配有RS-485通訊接口,可實現與上位通訊. 1、概述 隨著電子技術和電源技術的發展,開關電源以體積小、重量輕、功率密度大、集成度高、輸出組合便利等優點而成爲電子電路電源的首選.在實際的工作環境中,特別是在一些工業場所中,電磁環境十分惡劣,常常有異常情況出現,例如過電壓、瞬態脈衝衝擊波、強電磁輻射等.這些都有可能擊毀電源.影響整個系統的工作.通過設計以微處理機爲核心的具有全面電源檢測技術輔以提高開關電源抗過電壓、抗干擾性能力的手段,設計了一種具有保護和監控功能的開關電源. 2、設計思想 隨著電子設備對電源系統要求的日益提高,研究廉價的具有監視"管理供電電源功能的開關電源愈來愈顯得必要.通過綜合考慮電源各種技術性能和對自身的安全要求以及開關電源性能的基礎上,設計出了一種新型實用的帶有過電壓檢測和保護裝置的智能化源.它具有以下幾個特點：（1）實現了對過電壓的檢測,並能記錄每次過電壓的瞬時值和峯值.可啓動備用電源供電.實現對電子電路的保護作用.（2）具有抗衝擊能力強、使用壽命長、帶液晶屏數字監視的特點. 同時通過RS-485通信接口與管理計算機通訊能實現電源的工作和保護等功能的透明化.（3）能實時顯示輸出電壓、電流的大小、過電壓的次數、大小以及必要的參數設置信息.（4）通過接口與後台或遠端PC機實現數據傳送.智能化電源的核心由顯示板、CPU板、通信板、備用電源板、過電壓檢測板、鍵盤、通信轉接板組成.裝置的關鍵是實現電壓的峯值檢測,尤其是過電壓的檢測.該開關電源使用了一種基於單片機的過電壓檢測和峯值電壓檢測方法,實驗證明它滿足了對檢測的快速性和精確性的要求. 3、系統硬體設計 3.1 原理框圖 系統硬體框架如圖1所示.在正常的情況下220V的交流輸入電壓經過整流、濾波、DC/DC.變換、限流穩壓電路後可得到一個穩定的輸出電壓.是一個普通開關電源.當有過電壓時,過電壓信號經過過電壓檢測電路檢測和峯值電壓保持電路保持,控制電源迴路,斷開正常工作的交流電路,同時通過計算機啓動備用電源工作,以及完成對過電壓的瞬時值和峯值的測量. 3.2 PWM控制電路 系統採用的PWM調製器爲SG3524型號[4]的晶片,電路如圖2所示.在晶片的電源信號入口端並聯一電容C2構成一個軟啓動電路.設計軟啓動電路的目的是防止在電源突然開通時產生的過大電流對晶片造成衝擊.在剛通電時,電容兩端電壓不能突變,它的電壓隨外部電源對其充電而逐漸升高,經過一段時間後,電路進入正常工作狀態.這樣保證了輸入電壓緩慢地建立起來,確保晶片不受損壞.輸出電路的開關功率管選用MOS功率管.由於功率管是在高頻狀態下工作會產生振盪.爲了消除這種寄生振盪,應儘量減少與功率管各管腳的連線長度,特別是柵極引線的長度.若無法減少其長度,可以串聯小電阻,且儘量靠近管子柵極.圖中R3既是功率管的柵極限流電阻,又與R4一起消除功率管工作時產生的寄生振盪. 3.3　變壓器驅動電路 變壓器驅動電路見圖3.驅動電路採用單端驅動工作方式,這種電路簡單、工作可靠性高.功率管由來自SG3524晶片的信號驅動.11、14腳的單端並聯輸出.當SG3524輸出高電平時,功率管導通,在電感L中儲能；輸出低電平時,功率管截止,導致流過電感L上的電流突然下降爲零,L產生反電勢.該反電勢的脈衝電壓加在高頻變壓器的輸入端,驅動變壓器工作.同時,電感L作變壓器的阻抗匹配元件.　　 由高頻變壓器輸出的交流電壓經二極體VD2、VD3進行整流倍壓後,再經C2濾波,得到高壓輸出. 3.4　採樣反饋電路 反饋迴路中,對輸出電壓信號的取樣,採用在輸出端並聯電阻,再將高壓經電阻串聯衰減的方法實現.　　 R3、R4、RW爲電壓取樣反饋電阻.電壓經隔離反饋後,從SG3524晶片的1腳輸入,控制占空比,進而調節輸出電壓,達到穩壓的目的.其穩壓原理是：若輸出電壓偏高,採樣反饋的信號也偏高,與SG3524中誤差放大器的基準電壓比較後的電壓偏低,導致占空比的寬度變窄,引起輸出電壓下降；反之亦然.RW是可調電阻,通過調節RW來調節輸出電壓. 3.5 過電壓檢測電路 過電壓對於電源來說是一個非常有害的信號.雷電等引起的瞬時高電壓如果不加遏制,直接由電源引入RTU（遠程終端設備）則會影響其電源模塊的正常工作,各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常,嚴重時會損壞模塊,燒壞元器件IC. 過電壓保護的基本原理是在瞬態過電壓發生的時侯（微秒或納秒級）,通過過電壓檢測電路對這個信號進行檢測.過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻,壓敏電阻相當於很多串並聯在一起的雙向抑制二極體.電壓超過箝位電壓時,壓敏電阻導通；電壓低於箝位電壓時,壓敏電阻截止.這就是壓敏電阻的電壓箝位作用.壓敏電阻工作極爲迅速,響應時間在納秒級. 過電壓檢測電路原理圖如圖(4)所示,當有過電壓信號產生時,壓敏電阻被擊穿,呈現低阻值甚至接近短路狀態,這樣在電流互感器的原級產生一個大電流,通過線圈互感作用在副級產生一個小電流,再通過精密電阻把電流信號轉變爲電壓信號.這個信號輸入到電壓比較器LM393後,電壓比較器LM393輸出高電平,經過非門A 輸出的控制脈衝1控制電源迴路,斷開開關電源電路,啓動備用電源.控制脈衝2送到單片機的中斷口,單片機控制迴路啓動A/D轉換,採樣過電壓的瞬時值. 3.6 峯值電壓採樣保持電路 峯值電壓採樣保持電路如圖(5) 所示.峯值電壓採樣保持電路由一片採樣保持器晶片LF398 和一塊電壓比較器LM311構成.LF398的輸出電壓和輸入電壓通過LM311進行比較,當Vi>Vo時LM311輸出高電平,送到LF398的邏輯控制端8 腳,使LF398 處於採樣狀態.我也只能和你說到這裡,不知道能幫助到你沒.