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|  |  | | | | | 电源模块是电子产品中不可缺少的组成部件.电子产品越做越小,集成度也越做越高,电源模块也有这样的趋势.
现如今在DCDC领域,应用较广的便是模块电源部件.独立设计性能可靠,稳定度较高且功率密度较大的电源很需要一点技术功底.
为了给广大的电子工程师节省精力以便于可以研究更多的软件方面的知识,很多的电源厂家都将电源模块化了,这样当需要实现DCDC转换时,工程师只需要根据输入输出参数选择相对应的电源模块即可.一言以蔽之,电源厂商推出的模块电源我们完全可以将他当作是一个元器件对待即可.
鉴于很多工程师想深入了解一下模块电源的工作原理及其与常规电源的区别,借着世纪电源网的这次活动,在这一帖中,我准备详细的将自己的理解讲一讲,希望大家多多支持,多多捧场.
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| | | | | | | | | 模块电源应用较广的领域主要是DCDC领域,和常规的电源相比,它主要的特点有这如下几点.
先从原理的角度来解析:开关电源中最占空间的元器件非磁性器材莫属,诸如电感器,变压器等.而且电源的传输功率愈大,则上述两类器件的体积越大.那如何缩小这两类器件呢?
对于磁性器件而言,其体积的大小与电源开关频率成反比,说的通俗点,就是电源的工作频率越高,其磁性器件的体积越小.知道了这一原则,想缩小电源的体积就得提高电源的工作频率. 由于变压器的功率与其体积成正比,与频率成反比,通过提升电源的开关频率.便可以缩小磁性器材的体积,同时通过选择高频磁材及改进磁材的制作工艺,可以将诸多磁材做成扁平化的玩意,这样便增大了磁材的散热面积,也更加利于电源模块的集成化.
说了这么多废话,其实就是想告诉大家,模块电源最关键的工艺及技术便是磁材加工设计.利用上述原理设计的磁材专业术语叫做平面变压器和平面电感器,如下图所示:
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| | |  | | | | | | | | 扁平化磁性元器件和常规磁性元器件的区别主要是其工艺及磁材的高频特性而已.
扁平化磁性器件其线圈一般都是直接通过PCB板走线实现,当一层板圈数不够,可以通过制作两层板乃至多层板来增加绕组匝数.另外初次级绕组可以分别通过不同的板层实现.这样设计的磁性元器件,从一开始它的诸多寄生参数便固化了.下图为平面变压器的组成示意图:
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| | | | |  | | | | | | | | 初级 次级线路对磁芯芯柱的安规绝缘距离是如何处理的？
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| | | | | | | | | | | | | 继续更新.平面变压器的组装工艺也非常重要.常规的高频变压器磁芯的固定一般采用的工艺是玛拉胶带固定,后期再浸漆,高温烘干.但是平面变压器由于其初次级铜箔一般都是直接绘制在绘制在模块电源的PCB板上.想通过常规的变压器的工艺组装显然不可行.怎么处理呢?
一般平面变压器磁芯的组装通常使用环氧树脂粘连.由于环氧树脂粘接剂通常不会增加变压器的气隙,同时也不会对变压器的电气参数有太大的影响.所以目前平面变压器的磁芯的组装用的较多的还是环氧树脂.
另外需要注意的一点就是平面变压器的安规特性.常规的变压器,其层间绝缘等级通常是采用聚酯薄膜实现,而初次级的爬电距离通常是次级采用利兹线及人为拉大初次级的间距实现.按照这类思路,平面变压器的绝缘等级以及爬电距离也是这样操作的.一是初次级PCB与磁芯的间距,同时对PCB的材质也有一些要求,另外一点就是采用柔性PCB等非常规工艺改善上述的电气安规特性.
下图是我之前做的一款平面变压器,具体的细节就不在透露了.其实上面关于平面变压器的制作工艺已经讲了不少,真正做过的人基本上心里都有底了,
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| | | | | | | | | | | | | | | 平面磁芯的形状选择很有讲究,用的较多的磁芯形状有EE型磁芯以及PQ型磁芯.主要原因是这两类磁芯模具在压铸成型方面相对比较有优势.扁平化的磁芯有利于降低变压器漏感,同时也有利于增加变压器的散热面积.缺点也是有的,更加易碎,组装工艺要求较高.
由于平面变压器的初次级走线是通过PCB板实现的,我们希望PCB走线越少越好,所以合理的提高电源的高频特性也是理所当然.
而常规的铁氧体磁材,比如PC40其饱和磁通量通常只有0.2T-0.3T,适当的使用高等级的磁材,比如PC46,PC47,可以增大饱和磁通量,相应的初次级的走线圈数便减少了,这样的措施有利于有利于减小平面变压器的体积.
下图为PC40,PC44,PC47磁芯材料的频率特性,磁通特性及实物照片:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | 平面变压器的原理及工艺讲解完毕，接下来我们讲讲功率器件如功率MOS及功率肖特基续流二极管的相关工艺及原理。
先从功率MOS开始讲起。常规开关电源使用的功率器件通常为独立的元器件，我们根据电源拓扑的特性，传输功率的大小，耐压等级等参数来选择功率MOS的型号。模块电源功率MOS的选型也是按照这个套路来的。不过和常规开关电源相比，其区别主要体现在半导体的材料特性和封装工艺上。
模块电源其工作频率通常较高，导致的直接影响就是功率MOS所采用的材料通常为高频响应较好的材料。目前我接触到的模块电源开关频率做的最高的已经达到1.5Mhz。常规工艺的功率MOS显然已经不能适应这类功率频率。另外需要考虑的问题就是常规功率MOS，其通态电阻和耐压等级成正比，耐压等级越高，通态电阻也越大。而作为模块电源，为了追求传输效率最大化，这也是需要解决的一大问题。这方面由于我本人对功率MOS的工艺问题不了解，所以也只能提出问题，至于半导体公司是如何解决这一问题，我没法回答。我使用的英飞凌的COOL MOS以及GaN 功率MOS是如何提升耐压等级同时有效降低通态电阻，本人真的有点力不从心，希望诸位能补充，谢谢。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 模块电源功率MOS通常为扁平器件，为了有效提升其传输功率，该类器件表面积通常较大，这样做的目的主要是便于散热。这是常规模块电源功率MOS的做法。不过还有更先进的制作方法，那就是直接将功率MOS，模块电源中需要用到的部分元件以及续流二极管统一刻蚀在硅基板上，这样的做法可以进一步提升模块电源的集成度，在合理的开关频率及有效的散热处理的前提下，电源模块可以做的更加小巧精致，其体积也可以进一步缩小。
下图所示为之前一款模块电源中用到的功率MOS的图片：
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 接下来我们讲讲续流二极管的技术.模块电源相对于常规电源,其体积较小,功率密度较高,必然会将传输效率放在第一位.常规电源的续流二极管通常采用快恢复二极管以及肖特基二极管.快恢复二极管其正向偏置电压一般为0.7-1.2V,耐压电压一般较高,特别适合于高输出电压场合.肖特基二极管正向导通电压一般为0.3-0.6V,耐压电压最高一般只有200V,一般使用用低压大电流场合.不过上述两类二极管其正向导通电压均较大,一般很少应用于DCDC模块电源.
那模块电源使用的是什么器件实现续流功能的呢?答案是功率MOS,对,你没有看错,就是通过功率MOS实现续流功能的.怎么实现的呢,专业术语叫做同步整流技术.
我们知道功率MOS的漏极和源极是可以相互转换使用的,另外其漏源极的正向导通电压一般为0.2-0.3V,相较于快恢复二极管及肖特基二极管小了一些.通过合理的触发条件,适时的开通和关断该类器件便可以实现续流功能.这便是模块电源提升次级传输功率的方法之一.
至于说模块电源中功率MOS的特性,前文已经讲了,这里就不在啰嗦了.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 次级同步整流技术大至分为自驱动式同步整流,辅助绕组驱动式同步整流以及控制IC驱动式同步整流,我将常规的同步整流驱动的方式贴出来供大家参考学习.
自驱动式同步整流技术:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 接下来我准备讲讲模块电源常用的拓扑结构的特点以及仿真分析
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 前次讲解了模块电源中功率器件的特性，今天我们讲讲模块电源常用的电源拓扑。
我们常说的开关电源，指的是硬开关电源，其开关损耗一般较大，频率越高，开关损耗越严重。模块电源缩小体积的根本在于其大幅提高了电源的工作频率。此时使用常规的电源拓扑势必得不偿失。有没有一类电源拓扑能够很好的解决开关损耗呢。当然有，这便是软开关电源拓扑。
常规开关电源之所以存在开关损耗前文已经讲过，功率MOS的开关并非是瞬间完成的，从关闭过渡至导通或者从导通过渡至关闭，电压与电流均同时存在。换句话说，我们只需要控制功率MOS开关过程中的Vds电压或者Ids电流，使其在功率MOS完全开通之前或者完全关闭之前为零，那么开关损耗问题便解决了。思路有了，那所谓的软开关电源拓扑的含义便呼之欲出了。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 这种MOS主要靠PCB散热吧？自身能散热吗？能承受多大热耗？
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 使用这类功率管,PCB需要裸露铜层,且功率MOS本身的封装也含有散热基底.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 不见得要裸露，板子要导热好，模块电源没地方留着露铜皮
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 一般这类板子的PCB封装是自带大焊盘的,其实就是裸露铜层.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 模块电源，整块板热是比较均匀的，而且空间很小的呀，还能自带大焊盘？
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| | | | | | | | | | | | | 那到底什么是软开关电源呢。通俗的解释如下：软开关电源的开关器件在开通和关断的过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关，或是通过开关器件的电流为零，即零电流开关。此类电源拓扑有效的降低了高频开关损耗，有利于电源模块的高频化和小型化，高效化。
软开关电源大致可以归为八类，分别为全谐振变化器，准谐振变化器，多谐振变换器，零电压开关脉冲变换器，零电流开关脉冲变换器，移向全桥零电压变换器，移向全桥零电流变换器以及有源钳位变换器。
本人在电源领域摸爬滚打了八年左右，接触到的工业界常用的软开关电源拓扑其实也就那么几种，分别是QR反激准谐振电源拓扑，有源钳位正激电源拓扑，LLC半桥拓扑，移向全桥拓扑。
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| | | | | | | | | | | | | | | 谐振变换器的控制方式一般均为PFM控制，其频率特性和输出负载的变化直接挂钩，负载变重频率升高，负载变轻频率降低。根据谐振元器件参与能量变换的过程分为准谐振变换器，多谐振变换器，全谐振变换器。本质就是应用谐振原理，使开关电源中的功率器件的电压或者电流按正弦波或者准正弦波变化。当电压为零时，使器件开通，当电流为零时，使器件关闭，从而使功率器件在开通和关闭的过程中损耗接近为零，以解决开关损耗的问题。
根据谐振元器件的连接方式可以分为串联谐振变换器和并联谐振变换器。有源钳位吸收电路可以抑制开关器件的瞬变电压或电流，降低了开关管的电压应力和电流应力，大幅度减小了开关损耗，同时该类拓扑可以将吸收的能量反馈至电网中，降低了开关损耗，提升了电源的转换效率。
准谐振反激变换器应用较多的芯片为NCP1307,串联谐振LLC变换器应用较多的方案为L6562+L6599，或者为NCP1393，移向全桥变换器应用普遍的控制芯片为UC3875，有源钳位常用的芯片为MA3410。我将常规的软开关电源的工作原理总结了一下，接下后考虑使用仿真软件讲讲上述各类软开关电源的原理。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | 今天先讲讲准谐振反激电源拓扑的工作原理。常规反激式开关电源其电路拓扑很简单，但是功率MOS的开关存在很大的开关损耗，反激电源的传输效率一般仅仅达到70%至80%。而准谐振反激电源则是通过检测杂散电容以及变压器的激磁电感的谐振波形的电压，当经过几个谐振周期后，漏源级电压在最低点时，开通功率MOS，可以使功率MOS的开通损耗最低。
准谐振电源不同于常规谐振电源的谐振过程。常规谐振电源的谐振元器件主动参与整个能量变化的过程（振荡波形为正弦波），准谐振模式只在整个电源能量变换的一个阶段参与谐振，即开关转换的时候完成（波形仍接近为方波），通过谐振使开关管在零电压（或最小电压）的时刻完成开关转换。
准谐振电源的功率MOS在谷底导通，这样可以减小开通损耗。功率MOS的开通是由控制IC检测谷底电压实现驱动控制的。
下图为准谐振反激电源的拓扑结构以及功率MOS的驱动波形：
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 刚刚看了一下,确实是正激电源,拓扑弄错了,谢谢你的纠正,谢谢.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | 元旦上班事情较多,刚刚把QR反激电源拓扑仿真了一遍,供大家分析.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 开关电源的反馈控制系统大致分为三类，通俗的讲为一阶补偿网络，二阶补偿网络和三阶补偿网络。此种分类方法主要是根据零极点的个数来分类的，更简单更通俗的分类方法是PI,PD,PID控制方式，其实就是自控领域应用较多的三类补偿手段而已。由于常规的电源反馈回路速度及精度并不是非常高，同时便于仿真建模，后续的电源仿真中，我基本都采用PI控制环即可。 先将QR反激电源的闭环仿真电路贴出来，供大家分析，后续抽时间把节点波形也贴出来。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 抽中午休息的时间将闭环QR反激电源的栅极,漏极以及次级的波形贴出来,共享给大家.QR电源和常规的反激电源本质的差别并不多,关键技术就是控制芯片的谷底检测驱动.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 手头上一款台达的平面电源,给大家瞧一瞧,个人觉得是相当的给力,放在手里沉甸甸的,多层板布局,输出10V/37A,差不多400W的输出功率.这款电源的拓扑结构暂时还没有去细致的分析,后续将各类软开关电源的仿真讲解完成后,准备好好分析分析这款电源板.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 论坛里一定有很多做平面电源的高手,希望大家一起讨论讨论,个人觉得电源未来的发展方向必然是高功率密度,高工作频率,小体积,平面化.不知道大家的意见如何?
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 主要取决于电源的频率,磁材以及功率. 目前市面上通用的磁材,我见过的2mm-5mm.主要还是取决你的实际要求.再低的我个人觉得意义不大.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 3mm是比较常见的,之前使用氮化镓做的一款电源,用过2mm的,不过面积较大,工艺不太好做.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 这个比较难说，目前了解到很多磁材厂家做这类低矮型磁材需要有量，否则单独开模烧这类磁材价格还是比较贵的。单纯的追求磁材的扁平化其实意义不大，个人的理解。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 功率大小是一方面，频率也有关系，磁材特性也有关系，强制散热也有关系，工艺要求也有关系。考量扁平化磁材的参数其实有很多，主要看你的需求了。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | LLC开环电源仿真及节点波形,通过改电路的仿真电路的分析,对于理解LLC的原理应该容易一些.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 闭环LLC控制，半桥电压及电流波形，由此可以看出该电源拓扑实现了零电压开通：
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | LLC拓扑次级二极管电压及电流波形，由波形可知该电源次级实现了零电流关断。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 上下管驱动波形以及输出电压波形，输出电阻由1R至10R，步进为2R
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 不同的负载,输出电压均变化不大,说明其动态相应特性较好,当然这也仅仅限于仿真电路而已.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 哈哈，9R637, LM5035控制的硬开关全桥同步整流。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 我有时间针对PI,PD,PID讲讲吧.电源领域大家比较熟悉的是一阶,二阶,三阶补偿网络,自控领域比较熟悉的控制是PID,其实本质是一样的,不过是通过对零极点的补偿校正而已.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 电源系统中,应用较多的是PI控制,特别是数字电源这块.电源的反馈控制其实并不需要非常快,也不需要非常精准.之前用DSPIC单片机做过一款反激电源,就用PI算法就足够了.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 我争取从今天开始在这一帖中讲讲电源的环路控制,其实这类控制思路论坛里讲的比较多的.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 今天开始着手讲解电源的反馈补偿特性,有时间你可以看看,仅仅是我个人的理解以及心得,不对之处多多指点,谢谢.
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| | | | | | | | | | | LTSPICE，一款开源的仿真软件，liner公司的一款软件，个人觉得非常好用，比saber好用多了，比simtriax也好用多了。
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| | | | | | | | | | | | | | | 是的,单机版的,你可以去官网下载试一试.上手稍微有点复杂.
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| | | | | | | | | | | 周末休息，将有源钳位正激拓扑的次级加入同步整流技术，仿真貌似性能还可以，给大家瞧一瞧：
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| | | | | | | | | | | | | 讲讲有源钳位正激电路的原理。
我们知道正激，推挽，半桥，全桥均出自Buck电源。但是推挽，半桥，全桥相较于正激电源，前者均可以实现自主磁复位功能，他们的变压器均工作于一三象限。而正激拓扑其变压器工作与第一象限，并不能实现自主磁复位功能，需要额外增加磁复位电路，帮助变压器实现磁复位功能。同时为确保正激变压器充分的磁复位，其占空比必须小于0.5。
那有没有好的办法来改善正激拓扑的这一特性了，当然有，这就是有源钳位正激拓扑。说的简单点，有源钳位可以使正激拓扑的占空比超过50%，减小开关管的电流应力，附带实现主功率管的软开关(ZVS)，降低了开关损耗，有利于电源的高频化。另外变压器磁芯也可以双向磁化，提高了磁芯利用率。
这会有事，抽时间把有源钳位的工作流程详细的讲解一遍。
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| | | | | | | | | | | | | | | 以下管有源钳位为例，由节点波形可知，主功率管的寄生电容两端电压为零，此时触发功率MOS开通，变压器激磁电流由负上升为正电流。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | ACF闭环控制仿真原理图及初级上下管节点波形参数:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 将闭环ACF拓扑输出端分压电阻采样电压电流波形及经PID调节后电压电流波形进行比较:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 由比较波形可知,针对该ACF拓扑,PID控制的实质是电压模式反馈控制. 引入PID控制后,电源的输出特性其实变化还是比较大的,动态相应特性及稳态特性均有所改善.
大家如果有兴趣可以试一试将PID控制改为PI,PD控制,分别测试其输出特性以便更好的比较这三种控制方式的优劣.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 开关电源的反馈特性讲解,第一种一阶补偿网络,由仿真电路分析其输出相频特性可知,积分器仅仅只有直流增益提升的作用,但并没有相位提升的作用.同时一阶补偿积分器仅仅提供一个极点.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 今天将开关电源二阶补偿网络仿真分析了一遍,图片中将二阶补偿网络的相频特性及传函特性标示出来了,希望大家能扩展补充.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 有兴趣的朋友可以一起讨论学习,开关电源的重点也是难点莫过于反馈补偿网络了,大家可以一起讨论讨论,谢谢.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 最近有点忙,事情较多,今天继续更新.
今天讲讲三阶补偿网络的传函特性曲线:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 可以,其实电路图已经给出来了,大家可以依葫芦画瓢,等这一帖结束后,我会将所有的仿真文件皆贴出来给大家.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 感謝帖主，主要還是參考帖主的設定技巧省點走冤枉路。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 今天抽时间讲讲PID控制相关的幅频特性以及相频特性,先讲讲比例放大器的传函特性:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 比例积分器电路原理图及传函曲线,中午抽时间仿真分析了一遍:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 通过一阶二阶三阶传函特性曲线以及PI,PD,PID控制电路的传函曲线可以知道,其实所谓的反馈控制不过是用于纠正系统由于电感电容等惯性器件受频率影响导致的相位和幅值的变化而已. 说的通俗点就是,通过引入运放补偿电路来纠正电路系统的相位及幅值偏差.对于引入的运放补偿电路需要保证有足够的相位余量以及幅值余量.
至于我们说的较多的零点极点其实就是那些关于相频特性及幅频特性影响较大的节点而已.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 每天中午抽时间做的仿真文件，这个比较简单的环路分析还不需要贴论文。
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| | | | | | | 将常规的三阶补偿网络及PID的传函曲线梳理了一遍,接下来讲讲实际的仿真应用,以buck电源为例进行讲解.
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| | | | | | | | | | | 好长时间没有更新了,年前忙着加班加点地赶项目,过年期间又得走亲访友,胡吃海喝.昨天算是正式上班,目前手头上项目刚刚启动,事情还不算非常多,抽时间继续更新,和大家共同讨论电子技术,希望大家多多指导.
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| | | | | | | | | | | | | 楼主您好，请教一个菜鸟级的问题，这种模块电源输出电流达到了37A，那么他的变压器次级还是用PCB铜箔来替代的吗？37A的电流密度得用多厚的PCB啊 |
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| | | | | | | | | | | | | | | | | 铜皮尽量薄一点,但是宽度需要尽量宽一点,比你使用的骨架的挡墙间距小一点即可,注意绝缘问题.
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | 铜皮尽量采用紫铜,如果成本要求高,可以退而求其次,采用红铜,裁剪铜皮注意铜皮的毛边,毛边少一点,裁剪好了,最好再稍微处理一下毛边.
我之前做的一款大电源,毛边没有处理好,导致匝间短路,找了好久才发现.
如果次级不采用铜箔,也可以采用多股铜线绕制,效果也不错.
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| | | | | 楼主考研结果怎么样？
给你私信留言了，请查收，谢谢！
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