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【龙腾原创】抛砖引玉,谈谈开关电源的几个难点问题

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潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 08:11:56
最近在看张兴柱老师的《开关电源中的几个难点问题》,在文章中张老师给出了15个问题,前6个问题给出了解答,后9个问题遗留了下来。本人既非大师也非大虾,在此抛砖引玉,谈谈自己的一些理解,希望更多的人能一起互动交流,表述不正确的地方请大家指出。闻道有先后,术业有专攻,也希望坛子里的高手和大虾多多赐教。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 08:20:41
 
张兴柱老师的培训资料,希望更多的工程师能够深入了解开关电源。 开关电源中的几个难点问题.pdf
ipod5566
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  • 2014-6-21 15:07:54
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楼主上传的资料解决了之前设计调试电源过程中遇到的一些疑问,谢谢分享。
surface
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高级工程师
最新回复
  • 2014-9-4 12:10:46
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谢谢楼主共同学习共同进步
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 08:23:50
 
1、 MOSFET并联时为什么经常出现炸机现象?
MOSFET的Rds(on)为正温度系数,随着温度的升高而升高,因此适宜并联使用。但是在实际调试电路中,并联MOSFET经常会出现炸机想象。个人觉得原因可能如下:


1)、并联的多颗MOSFET参数(V[sub]gs[/sub][sub](th)、[/sub]Qg、Ciss、R[sub]ds[/sub][sub](on)[/sub]等)不一致。由于MOSFET自身参数的不一致,会导致器件并联时出现电流分配不均的问题。严重的电流分配不均,会使有关的关联MOSFET过载而烧坏。尤其在高频动态工作条件下,由于周期时间极短,各并联器件来不及建立结温差,功率MOSFET电流负温度系数的优点不能得到充分发挥。在这种情况下,通断时间不一致会造成各并联MOSFET开关损耗不同,运行中很快会使功率损耗负担较重的器件过热损坏。

2)、每路MOSFET驱动电路不对称,栅极驱动电阻不同,或者栅级走线长度不同,都有可能导致炸机问题。




YTDFWANGWEI
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  • 2014-6-9 08:40:31
 
驱动电路不对称应该不是主要问题,主要问题应该是PCB的布局吧。
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 09:34:14
 
个人觉得MOSFET并联使用应该主要考虑MOSFET选型和驱动电路设计,PCB布局是最后一道程序,有经验的工程师PCB layout不会出问题。
YTDFWANGWEI
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  • 2014-6-9 10:09:29
 
同一型号的MOS管并联应该是不需要筛选的,至少我从未筛选过,而驱动电路的设计应该最主要的是每个MOS管各自采用各自的驱动电阻,至于其他的我觉得都属于PCB布局的问题了。
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 10:14:53
 
假设我用的是同一型号的MOS管,但是不同批次,MOS管不是知名的一些品牌,MOS管的一致性得不到很大的保障,但胜在价格便宜。驱动电路和PCB布局按照您要求的来,那么您觉得在批量生产时做高温老化会不会出现炸机?
YTDFWANGWEI
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  • 2014-6-9 10:49:56
 
这个我不确定,但我用过英飞凌的MOS管,测量Cgs,在4000-7000之间的并联没出现问题。
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 11:10:31
 
英飞凌的MOS管,大品牌,用过CoolMos,相当不错,就是价格有点小贵
burning520999
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  • 2014-6-9 10:59:02
 
我经常这么用还没出现,尤其是大功率PFC电路。应该具体谈谈是怎么死的?散热不一致热死的,一般是共用一个散热片。假设参数在合理的误差范围内,炸机了,是为什么炸机?
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 11:27:42
 
因为MOSFET的导通电阻Ron具有正温度系数,所以理论上多个MOSFET可以直接并联使用。但由于MOSFET自身参数及电路参数不匹配,会导致器件并联时出现电流分配不均的问题。严重的电流分配不均,会使有关的关联MOSFET过载而烧坏。尤其在高频动态工作条件下,由于周期时间极短,各并联器件来不及建立结温差,功率MOSFET电流负温度系数的优点不能得到充分发挥。在这种情况下,通断时间不一致会造成各并联MOSFET开关损耗不同,运行中很快会使功率损耗负担较重的器件过热损坏。
a157670740
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高级工程师
  • 2014-6-22 14:25:57
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MOS元器件损坏应该从 过压,过温方面去分析,然后寻找导致出现这种情况的原因,定好方向一一破解
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 08:26:15
 
在实际应用中,我们如何避免MOSFET并联炸机?可以考虑三个方面:
(1)、尽量选用同批次同型号且差异性较小的MOSFET并联。
(2)、尽量保证每路MOSFET驱动电路对称,包括栅极驱动电阻相同、栅极走线短且相同。
(3)、电路布局紧凑合理,每个MOSFET采用紧密的热耦合,且置于同一个散热片上,尽量靠近保证每个MOSFET温度基本一致。


bei_jxing
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  • 2014-6-13 22:09:19
 
楼主能否一一举例说明,最好加配图。
ipod5566
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高级工程师
  • 2014-6-21 15:19:24
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我们公司每次采购的物料都会进行小样本抽样检查,有一次采购了一批三极管,抽检没有检出问题,但是在量产时却出现了问题,后面经过排除,是这批三极管一致性太差导致的问题。 可见物料的一致性对电源的可靠性影响比较大,多个MOSFET并联也不例外。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 08:34:13
 
张兴柱老师对MOSFET的稳态特性总结:


ipod5566
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高级工程师
  • 2014-6-21 15:20:21
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楼主的分享很到位,学习了
化二为一
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LV8
副总工程师
  • 2014-6-9 09:35:41
 
学习中
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 09:46:12
 
2、 开关电源中的拍频现象是怎么产生的?如何克服?

频率相近的二个波叠加后,会产生一个新频率等于原来二个频率之差,这个新频率就称为拍频。



图片摘自百度文库Lineage power公司的资料。
XIAOTU80
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  • 2014-6-9 09:52:33
 
针对拍频现象,如何采取措施降低其幅值大小?
有啥危害没有?
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 09:59:58
 
拍频的危害导致输出纹波增大,对系统的稳定性有一定的影响。

抑制拍频的方法:
(1)、目前很多芯片都有同步功能,将所有芯片连接至同一外部时钟,可消除拍频。
(2)、加强滤波,输入端加入LC滤波,或者在输入电容两端并联高频陶瓷电容。


(3)、提高负载点电源开关频率,输入端选择合适的Bulk电容,增强系统稳定性。
ipod5566
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高级工程师
  • 2014-6-21 15:24:56
  • 倒数7
 
最近有一个朋友,在做多路低压LED驱动电源时遇到这个问题,后面采用将所有芯片同步的方法解决了这个问题。
XIAOTU80
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  • 2014-6-9 09:53:36
 

这个也是拍频吧,调幅频率
以前没听过这个名词
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 10:07:22
 
电源系统有多个开关频率,某些频率点比较靠近,可能就会产生拍频,譬如POL供电系统。
mandy2
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  • 2014-6-9 10:56:02
 
什么是POL供电系统?
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 11:08:16
 
POL是Point of load,POL供电系统简单的解释就是通过一个隔离DC-DC电源把市电220V转换为Vbus电压,通常为24V或者12V,后级再通过一些非隔离DC-DC模块将Vbus电压转换为3.3V、2.5V、1.8V等给MCU、DSP、FPGA供电。
mandy2
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  • 2014-6-9 11:21:29
 
Point of load中文如何解释?传统的供电是什么样子的?
这个又和传统相比有什么优势呢?
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 11:46:10
 
POL中文解释就是负载点电源,属于一种分布式供电方式。
传统供电可用正激、反激、半桥、全桥等产生多路输出,为集中式供电。
分布式供电更加灵活,维修方便,简单可靠。
mandy2
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  • 2014-6-9 12:13:47
 
和这种有什么区别呢?


潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 12:19:06
 
和这种没区别,都是分布式供电。正愁找不到合适的图
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 10:23:05
 
3、为什么开关电源中的干扰会对电源产生致命的影响?

我们知道EMC三要素包含:干扰源、干扰路径、敏感源。

在开关电源中,整流桥、变压器、MOSFET、二极管等是干扰源,控制电路、反馈电路等是敏感源。干扰源会用过传导和辐射对电源内部和外部产生强烈的干扰。如果控制信号、反馈信号等弱信号受到了强烈的干扰,轻则开关电源工作不正常,重则炸机。

通常我们采用滤波、屏蔽、接地等方法抑制开关电源产生的干扰。


ipod5566
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高级工程师
  • 2014-6-21 15:58:57
  • 倒数6
 
楼主言之有理,我们在设计开关电源时,首先要保证电源安全稳定的工作,其次要尽量减小电源对外部设备的干扰。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-9 10:42:07
 
4、为什么开关电源中的电性能、热性能和EMC性能相会关联?
先上图:

开关电源除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性最重要的因素。开关电源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彻底损坏。

开关电源的电性能越好,效率越高,电源内部温升就会越低。在开关布局时,高频环路面积越小,EMC性能越好。但是器件太过紧凑,对器件散热不利,电解电容太过靠近发热元件,温度升高,电解电容滤波性能也会下降。所以开关电源的电性能、热性能、EMC性能相互关联、互相影响。作为一名电源工程师,希望三者达到一个最优的状态。实际上,MOSFET加栅极驱动电阻,变压器加屏蔽、输入端加EMC滤波器都是在三者之间做的折衷。

ipod5566
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  • 2014-6-21 16:06:25
  • 倒数5
 
大公司在设计前期,都会导入EMC设计,在完成电路设计后,一般会进行热仿真设计。
虎仔
  • 虎仔
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  • 2014-6-9 21:26:29
 
下载这本的电子书了,想一临高下前6个问题原因先,后再听课
潇湘夜雨
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  • 2014-6-9 22:01:16
 
有问题可以随时提出来,大家一起多交流。
潇湘夜雨
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  • 2014-6-10 09:01:42
 
5、为什么高频功率变压器对电源的性能有非常大的影响?


高频功率变压器是作为开关电源最主要的组成部分,在开关电源中起着隔离、变压、传递功率的作用。实际变压器的非理想特性,包括磁芯耦合不理想、磁芯损耗以及磁饱和等,对电源的性能产生非常大的影响。
实际变压器包含激磁电感和漏电感,两者都影响变压器的理想特性。并且,由于这两个电感的存在,实际变压器的效率不可能达到100%。






ipod5566
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  • 2014-6-21 16:19:55
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变压器设计和环路设计被誉为开关电源设计上的两大难点,希望楼主多多分享经验。
爱国分子
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  • 2014-6-12 12:13:57
 
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潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-13 08:35:23
 
来自于张兴柱老师的《开关电源中的几个难点问题》,请看1楼上传的文件。欢迎大家提出问题,一起讨论。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-13 08:51:52
 
开关电源设计中,变压器漏感是不能忽略的一个参数。以常见的反激电源为例,漏感过大,会造成开关管关断时电压尖峰过大,电压应力过大。


一般我们会加RCD吸收电路来限制MOSFET最大反向峰值电压。




通常采用三明治绕法来降低变压器的漏感:







潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-13 09:09:32
 
如果漏感的能量能够被利用起来,就能够获得更高的开关电源效率。通过对电源拓扑的不断研究,双管反激、有源钳位正激、谐振正激、双管正激、LLC谐振半桥、移相全桥等高效率拓扑得到广泛应用。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-14 09:55:51
 
功率变压器的损耗是影响开关电源效率的直观因素。变压器损耗通常包含铜损和铁损。
原、副边绕组都有一定的电阻,电流流过时,产生损耗,消耗电能,这就是铜损。
当变压器磁芯的磁通变化时,磁芯中会产生磁滞损耗和涡流损耗,这两项损耗称为铁损。
在做变压器设计时,我们希望变压器损耗最小,确定磁芯后,通常我们会调节原副边匝数、线径、磁通摆幅、工作频率来达到折衷的性能。
通常认为变压器铁损和铜损相等时,变压器达到最优的效率。

潇湘夜雨
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  • 2014-6-15 10:15:25
 
变压器饱和问题:
在短路或者过载的情况下,如果整个电路没有准确的电流限制,那么功率变压器很大可能发生饱和。可以通过测量流过变压器的电流波形来判断变压器是否饱和。
论坛里cmg老师有个帖子---变压器饱和相关波形,图文并茂,形象生动。感兴趣的朋友可以去下面链接看看。
https://bbs.21dianyuan.com/170864.html

如何抑制功率变压器饱和?
通常给磁芯加入适当的气隙来提高变压器抗饱和能力。
爱国分子
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  • 2014-6-18 22:35:57
 
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潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-15 10:54:06
 
功率变压器造成的EMI问题:
功率变压器是电源中的干扰源,其初级间的层间电容、次级间的层间电容、初次级的耦合电容都是噪声的通道。
降低变压器EMI的方法:
1、通过减小绕组的层数来降低初级或次级的层间电容。
2、在线圈间采用静电分离屏蔽技术,将共模信号有效短接至地面,降低电容电流。屏蔽层可以使用铜箔或紧密绕线轻松实现,且屏蔽层应当与静点实际接地。


潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-15 11:01:34
 
6MOSFET的最大占空比应如何设计,如何才能获得最佳的电源性能?


MOSFET的最大占空比受制于三个因素:
1、控制芯片。以常见的UC3843和UC3844为例,UC3843的最大占空比典型值是96%,UC3844最大占空比是50%。










2、电源拓扑。以正激电源为例,三绕组去磁正激变换器、双管正激变换器最大占空比通常小于0.5。
3、电路参数,包括输入电压的范围、输出电压的范围(恒压还是可调)、主开关管的耐压等。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-18 09:25:12
 
以隔离反激电源为例,在设计AC-DC反激电源时,最大占空比通常取值0.4。输入输出电压不变,占空比越大,原副边的匝比越大,开关管的电压应力越大。并且对于电流控制模式来说,变换器工作在CCM模式下,占空比超过50%,容易发生次谐波振荡。通常为了保证电路的稳定工作,并留有一定的裕量,反激电源最大占空比通常设置在0.4。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-18 09:27:57
 
在设计小功率隔离反激模块电源时,为了取得更高的效率,在电路中加入斜坡补偿抑制次谐波振荡,最大占空比取过0.6。
潇湘夜雨
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高级工程师
  • 2014-6-18 09:34:14
 
7、如何才能保证大占空比下的隔离驱动电路绝对可靠?
jinjunliu
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本网技师
  • 2014-9-4 04:07:10
  • 倒数2
 
怎么就这样没有了呢?
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