开关电源

<strong><font color="#004a85">作者：ADI公司Henry J. Zhang</font> </strong>

<strong>为何使用开关模式电源？</strong>

显然是高效率。在SMPS中，晶体管在开关模式而非线性模式下运行。这意味着，当晶体管导通并传导电流时，电源路径上的压降最小。当晶体管关断并阻止高电压时，电源路径中几乎没有电流。因此，半导体晶体管就像一个理想的开关。晶体管中的功率损耗可减至最小。高效率、低功耗和高功率密度（小尺寸）是设计人员使用SMPS而不是线性稳压器或LDO的主要原因，特别是在高电流应用中。例如，如今12V_IN、3.3V_OUT开关模式同步降压电源通常可实现90%以上的效率，而线性稳压器的效率不到27.5%。这意味着功率损耗或尺寸至少减小了8倍。

<strong>最常用的开关电源——降压转换器</strong>

<strong><font color="#004a85">作者：ADI公司Henry J. Zhang</font> </strong>

<strong>摘要</strong>

本文介绍线性稳压器和开关模式电源(SMPS)的基本概念。主要面向不太熟悉电源设计和选择的系统工程师。还介绍了线性稳压器和SMPS的基本工作原理并讨论了每个解决方案的优缺点。此外，以降压转换器为例进一步说明了开关稳压器的设计考虑因素。

<strong>简介</strong>

当今的电子系统设计需要越来越多的供电轨和供电解决方案，负载范围从备用电源的几mA到ASIC稳压器的100A以上不等。为目标应用选择合适的解决方案并满足指定的性能要求至关重要，如高效率、紧密印刷电路板(PCB)空间、准确的输出电压调节、快速瞬态响应、低解决方案成本等。对于许多可能没有强大电源技术背景的系统设计者来说，电源管理设计工作变得越来越频繁，越来越具有挑战性。

对于单极性开关变压器，由于磁芯工作于磁滞回线的半区，所以磁芯损耗约为双极性开关变压器的一半。变压器总损耗为总铜耗与磁芯损耗之和。

<strong>一、输入部分损耗</strong>

1、脉冲电流造成的共模电感T的内阻损耗加大

适当设计共模电感，包括线径和匝数

2、放电电阻上的损耗

在符合安规的前提下加大放电电阻的组织

3、热敏电阻上的损耗

在符合其他指标的前提下减小热敏电阻的阻值

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<strong>二、 启动损耗</strong>

普通的启动方法，开关电源启动后启动电阻回路未切断，此损耗持续存在。

改善方法：恒流启动方式启动，启动完成后关闭启动电路降低损耗。

大牛总结的开关电源电路图

下面给大家介绍下。　

<strong>减少EMI的干扰</strong>

采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器。

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<strong>在输出端采用高频性能好、ESR低的电容</strong>

采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。

<strong>采用与产品系统的频率同步</strong>

<strong>1、电感</strong>

电感简单的说就是导电的螺旋线圈。电感种类比较多，有插脚的贴片的等等。 如图 1： 图 1 L1是有芯电感 L2是无芯电感的原理图画法，这里是讲解反激正激而电感种类只说到这里。

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<strong>2、激励方式</strong>

1、电感特性：当电感里流入电流 I 时电感会在电流方向产生反向电动势如图 2 所标电 感 L1 上端有个点那个点就是反向电动势产生的（只是个标志，不代表这个点就是正 极或者负极）和流入电流方向相反。

开关电源产生的电磁干扰，时常会影响到电子产品的正常工作，因而正确的开关电源PCB排版就变得非常重要。

许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB布线存在着许多问题。

在开关电源设计中，PCB设计是非常关键的一步，它对电源的性能、EMC要求、可靠性、可生产性都影响很大。

随着电子技术的发展，开关电源的体积越来越精巧，性能更加强大，开关频率也越来越高，器件的密集度也越来越高，这对PCB布局布线的抗干扰要求也越来越严，因而合理、科学的PCB布局就变得非常重要。本文将就如何在第一次就实现良好的PCB布局提出建议。

大原则：开关电源不管是布局还是布线优先都应该优先参考芯片datasheet，一般芯片手册中都会给出相应的layout Design Guide指导，走线之前一定要好好看。

<strong><font color="#004a85" >作者：马玺</font> </strong>

所有的电子设备都需要用电，电源系统负责对整个电路进行供电，其重要性不言而喻。在一般系统中，电力来源都是电网供应的市电，也就是50Hz 220V的交流电。显然，市电无法直接对电池进行充电，也不能直接供给电子设备的各个用电系统。我们需要对其进行电压转换，使其输出直流5V、12V和24V等常用电压，以满足相应系统的用电需求。图1表示的就是市电转换到所需要的直流电的电路结构。

<strong>一、DC/DC电路电感为什么产生啸叫</strong>

稳压电源电路输出的开关电流的频率，或周期性脉冲群的周期频率，或毛刺的周期频率落入20~20kHz的音频范围，且周期性变化的电流经过电感线圈而产生交变磁场，使得该电感线圈在交变磁场作用下像“喇叭”一样在几乎固定的频率上产生机械振动而发出啸叫。

啸叫声音的大小与电感绕制的质量有一定关系，绕制较松，其产生的啸叫声将较大。

<strong>二、引起DC/DC电路电感啸叫的因素</strong>

1、负载电流过大。DC/DC芯片内部有一个限流保护电路，当负载超过IC内部的开关MOS管的最大电流时，限流电路检测电路就会调整芯片内部的占空比，或者停止工作，直到检测负载电流在标准范围内时，再重新启动正常的工作开关。

如果从停止开关到重启开关的时间周期正好是20~20kHz的频率范围内，就会导致电感的的震动频率被人听到。

2、负载电压过高。如果负载为空或轻负载，就会触发过压保护，停止开关，如果电压降下来，就会重启工作，从停止到重启的时间容易落在音频范围内。

3、电路产生自激。电源电路在设计时，稳定性不够，当负载产生变化时，容易自激，当自激的频率落在音频范围内，将引起啸叫。