开关电源

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。

开关电源原理简图

下图是开关电源的原理简图，以反激为例！

设定一下主要参数如下：

输入电压：Vin=AC176-264V
输出电压：Vout=12V
Vcc电压：Vcc=15V
变压器匝比：N

下面对上述图片中的各个元器件进行应力计算。

1、整流桥BR1

开关电源中有几种基础的拓扑，buck拓扑电路、boost拓扑电路以及反激式开关电源等等。这些拓扑既有他们相同之处，也有其独特性。一般，经验丰富的工程师在设计的时候能够根据需求选择适合的拓扑。而对于初学者来说，如何选择合适的拓扑这就非常困难了。因此，就需要我们很好的掌握拓扑的基本特性，这是非常有必要的。这对我们在设计时选择合适的拓扑也是很有帮助的，可以避免因为拓扑选择不当而浪费时间。

一些拓扑适用于离线式（电网供电的）AC/DC变换器，其中有些适合小功率输出（<200W），有些适合大功率输出；有些适合较高的AC输人电压（>=220V AC），而有些适合较低的AC输人电压的场合；有些在较高的DC输出电压（ >200V）场合有较大的优势，而有些在较低的DC输出电压场合有较大的优势。对于多级电压输出的应用场合，使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好折中是选择拓扑要考虑的因素。同时，输入/输出纹波和噪声要求也是选择拓扑要考虑的重要因素。某些拓扑因其本身固有的局限性，需要辅助电路或更复杂的电路，使得在某些应用场合它的特性变得非常难以分析。

因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同基本拓扑的优缺点是非常重要的。错误的选择会导致电源的性能变差，甚至浪费设计时间和成本。因此有必要充分地了解不同拓扑的基本特性参数。

谈多年开关电源的设计心得，从开关电源印制板的设计、印制板布线、印制板铜皮走线、铝基板和多层印制板在开关电源中的应用，到反激电源的占空比，绝对的实践精华！

开关电源印制板的设计

首先从开关电源的设计及生产工艺开始描述吧，先说说印制板的设计。开关电源工作在高频率，高脉冲状态，属于模拟电路中的一个比较特殊种类。布板时须遵循高频电路布线原则。

布局：脉冲电压连线尽可能短，其中输入开关管到变压器连线，输出变压器到整流管连接线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近开关电源输入端，输入线应避免与其他电路平行，应避开。 Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持一定距离，以避免磁偶合。如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽，以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。

作者：东子

什么是交流电源

发电厂产生的交流电，以数十万伏特的高电压进行传输，以减少电网中的输电损耗。如此高的电压通过一系列变电站逐步降低到家用电压等级。

理想情况下，向家庭和工厂供电的交流电源具有正弦波形，且电源和电压之间没有相位差。然而，在交流到直流的转换过程中，实际设备所消耗的交流电中将产生电压电流波形之间的相位差以及电压畸变。

五、LED日光灯电源设计心得

非隔离型降压式电源设计方法概论

非隔离降压型电源是现在普遍使用的电源结构，几乎占了日光灯电源百分之九十以上。很多人都以为非隔离电源只有降压型一种，每每一说到不隔离，就想到降压型，就想到说对灯不安全（指电源损坏）。其实降压型不只是一种，还有两种基本结构，即升压，和升降压，即BOOST AND BUCK-BOOST，后两种电源即使损坏。不会影响到LED的好处。降压式电源也有其好处，它适合用于220，但不适用于110，因为110V本来电压就低，一降就更低了，那样输出的电流大，电压低，效率做不太高。降压式220V交流，整流滤波后约三百伏，经过降压电路，一般将电压降到直流150V左右，这样即可实现高压小电流输出，效率可以做得较高。一般用MOS 做开关管，做这种规格的电源，我的经验是，可以做到百分之九十那样差不多，再往上也困难。原因很简单，芯片一般自损会有0.5W到1W，而日光灯管电源不过就是10W左右。所以不可能再往上走。现在电源效率这个东西很虚，很多人都是吹，实际根本达不到。

在您的电源中很容易找到作为寄生元件的100fF电容器。您必须明白，只有处理好它们才能获得符合EMI标准的电源。

从开关节点到输入引线的少量寄生电容(100毫微微法拉)会让您无法满足电磁干扰(EMI)需求。那100fF电容器是什么样子的呢?在Digi-Key中，这种电容器不多。即使有，它们也会因寄生问题而提供宽泛的容差。

不过，在您的电源中很容易找到作为寄生元件的100fF电容器。只有处理好它们才能获得符合EMI标准的电源。

图1是这些非计划中电容的一个实例。图中的右侧是一个垂直安装的FET，所带的开关节点与钳位电路延伸至了图片的顶部。输入连接从左侧进入，到达距漏极连接1cm以内的位置。这就是故障点，在这里FET的开关电压波形可以绕过EMI滤波器耦合至输入。

四、LED与LED驱动电源的匹配

我们已经很清楚的知道LED驱动电源只有两种方式：

恒流式：电流不变电压在一定范围内变化(随负载变化)

恒压式：电压不变电流在一定范围内变化(随负载变化)

而LED灯配合的方式有三种：串联式，并联式，串并混联式。

串联式：

要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端电压不同，通过每颗LED的电流相同，LED的亮度一致。

当某一颗LED品质不良短路时，如果采用稳压式驱动，由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的LED两端电压将升高，驱动器输出电流将增大，导致容易损坏余下所有LED。如采用恒流式LED驱动，当某一颗LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下所有LED 正常工作。当某一颗LED品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管，当然齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。

占空比是脉冲宽度调制(PWM)开关电源的调制度，开关电源的稳压功能就是通过自动改变占空比来实现的，开关电源的输出电压与占空比成正比，开关电源输出电压的变化范围基本上就是占空比的变化范围。由于开关电源输出电压的变化范围受到电源开关管击穿电压的限制，因此，正确选择占空比的变化范围是决定开关电源是否可靠工作的重要因素；而占空比的选择主要与开关电源变压器初、次级线圈的匝数比有关，因此，正确选择开关电源变压器初、次级线圈的匝数比也是一个非常重要的因素。

占空比

占空比一般是指，在开关电源中，开关管导通的时间与工作周期之比，即：