开关电源设计指南

大家都知道，电子产品，特别是高端稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气、电磁兼容、热设计、安全性、三防等方面的设计。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性。

1.开关电源电气可靠性设计
供电方式的选择
集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应性，供电质量好、传输损耗小、效率高、节约能源、可靠性高，容易组成 N＋1 冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。
控制策略的选择
在中小功率的电源中，电流型 PWM（脉宽调制）是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的 50W开关电源的输出纹波在 25mV左右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在 350kHz 以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了 PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制
范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以 PWM技术为主。
电路形式的选择
开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种形式。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按 60％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥形式中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按 60％降额使用，选用开关管也
比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路形式。


电磁兼容性(EMC)设计
开关电源因采用脉冲宽度调制(PWM)技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分，另外输出整流
管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，这是影响可靠性的不利因素，因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。
产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。
每一个开关电源都有四个电流回路，回路之间保持相对独立，在一个良好布局的 PCB，其重要性顺序如下：电源开关交流回路；输出整流交流回路；输入信号源电流回路；输出负载电流回路。
输入的信号源和输出负载电流回路通常不会出现问题，这些回路中的电流波形为大的直流电流和小的交流电流的叠加。这两个回路中通常需要特殊的滤波器防止交流噪声泄漏到周围环境中，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源。输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，但无法提供开关电源所需的高频电流脉冲。滤波电容主要起到一个宽带储能作用，类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将流经输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。
对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。EMI 按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。传导噪声的频率范围很宽，从 10kHz～30MHz，我们虽然知道产生干扰的原因，但从效率上来讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法，解决办法之一是加装电源 EMI 滤波器、输出滤波器及吸收电路。电源 EMI 滤波器实际上是一种低通滤波器，它毫无衰减地把 50Hz 或 400Hz 交流电能传递给电子设备，却大大衰减传入的干扰信号，同时又能抑制设备本身产生的干扰信号，防止它窜入电网，危害公网其它设备。
选择 EMI 滤波器是根据插入损耗的大小来选择滤波器网络结构和元器件参数，根据实际要求选择额定电压、额定电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源 EMI 滤波器最好安装在机壳电源线进口的插座附近。抑制输出噪声的对策基本上按 10kHz～150kHz、150kHz～10MHz、10MHz 以上三个频段来解决。10kHz～150kHz范围内主要是常态噪声，一般采用通用 LC滤波器来解决。150kHz～10MHz范围内主要是共模成分的噪声，通常采用共模抑制滤波器来解决。共模扼流圈要采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料，电感量在（1～2）mH、电容量在 3300pF～4700pF之间，如果控制低频段的噪声，可以适当加大 LC的取值。在 10MHz 以上频率段的对策是改进滤波器的外形。输出整流二极管的反向恢复也会引起电磁干扰，这种情况可以采用 RC吸收电路来抑制电流的上升率，通常 R在(2～20)Ω之间，C在1000pF～10nF 之间，C 应选用高频瓷介电容。