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谈谈国内的开关电源

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比刀郎还冲动
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高级工程师
  • 2011-3-24 12:13:09
无论是什么开关电源,在电路结构上,都是如下几个经典托普架构引申变换出去的:(本帖经过八爪兄同意,转帖至此)
开关电源的基本方案架构
一 单端正激式
二 单端反激式
三 自激式
四 推挽式
在中国的当前环境下,开关电源研发上市都是比较混乱,3C能带来的,仅是部分高端市场的变化而已,开关电源的研发人员技术水平良萎不齐,而无论是企业自行开发还是外包开发,都缺乏统一的研发过程标准规范来让研发人员统一执行。
因此就造成一些研发阶段的混乱,就是开发者过多地去妥协“现实”,企业的混乱且杂乱要求也许各自不相同,可以遵守国标,也可以不遵守国标,但是几乎所有中国电源的开发者,都必须遵守一个更为苛刻的要求,那就是难以置信的地低成本。
比如某单子,220V变5V/500毫安,成本3元•••••而获利仅一毛五,纯利润仅几分钱!•••••••
任务的下达者对于电源开发者的过多干涉,成本限制,必然导致原本作为一个电源设计者应该做到的一些动作,一些遵循的理论知识,没有实现的可能。
比如以下实际的开关电源设计的一部分基础知识,恐怕就算是在国内从事电源开发的一部分人,也闻所未闻!
现代脉宽调制PWM和功率开关MOSFET复合或分离式是目前IT业大小功率开关电源主要的组成结构。纯分立元件的开关电源数量很少了,再过不久也将难见踪迹。
集成化开关电源普遍都具有调节连续工作模式和不连续工作模式的能力,连续模式指高频变压器在每个开关周期前,上周期能量并未完全泻放掉,下一周期立即补充能量,而不连续模式指高频变压器在完全泻放完全部能量后,在下一开关周期再补足能量。其实就是初级脉动电流(IR)与峰值电流(IP)的比例KRP,一般这个值在0.6到1.0之间。
纯理想的情况下,IR=0,纯理想情况是假设变压器电感量为无穷大的情况下得出的,实际上永远不会有IR=0的情况,IR值越小,开关电源工作模式越偏向连续模式。
在实际应用中,还存在初级绕组漏感和次级绕组漏感的情况,以及分布电容。这是非常危险的情况,初级和次级因为存在串接漏感源,漏感要阻碍初/次级电流的快速变化,就容易导致电流交叉类似正反馈般地浪涌,而在开关集成模块的源极和漏极间的分布电容(CDS),两端的UDS会立即累积产生非常高到吓人的地步,甚至一两千伏以上,因此就必须在初级绕组上反接两个二极管,一个是快速恢复肖特基管,另一个是个钳位700V左右的奇钠管。
磁芯的设计需要非常多的讲究,主要的几个因素就是比如:初始磁导率,有效磁导率,饱和磁通密度,剩余磁通密度,矫顽力,损耗因子、比损耗因子、品质因素、温度系数、居里温度,减落因子等的指标。
高频变压器的磁心损耗,变压器铁芯损耗必须是负温度系数的,因为铜损和磁芯损耗必然引起发热,发热如果引发损耗的进一步增大,势必引发温度进一步升高,因此产生正反馈地话,后果不堪设想。
磁导率对开关频率的匹配非常重要,一般2000以上,开关频率和磁导率存在最优的匹配关系。
铁芯可以查阅铁芯参数表,里面有铁芯截面积,铁芯窗口面积,铁芯磁感应强度,铁芯窗口填充系数,根据提供的数据,代入相应的公式,计算功率、效率,得出所需要的线圈匝数和线径。对于铁氧体铁芯,制成品一般都会加入气隙,这样可防止铁芯饱和,气隙的大小是可以找厂家调整的。

现在恐怕也只有类似研究所,院校内的学究级的人,在接外包单的时候,会考虑到这些工作状态因素,碰到了很多小型作坊里请来的一些所谓“高手”,能混饭吃就不错,就算我上次碰到的某“奇人”,姓游的,宣称自己不需要任何仪器设备的依托,单用眼睛就能看出电源板的初次级耐压,单用耳朵就能听出开关电源的工作状态!单用手指头就能确定变压器的铁芯截面积,“神人”啊!他们永远不可能象我们这样“傻呼呼”地用数字示波器记录下每个开关周期的波形,永远不可能去计算电源效率,因为他们恐怕连数字示波器上的按钮代表什么功能都不知道!你去跟他讲磁导率的计算,振荡频率的选定,对他们来讲是鸭子听打雷,问题是在中国,就象这样的“神人”们在大把大把地把钞票往口袋里塞!也就是这些“神人”,为大家贡献了填了石头的PFC电感,和无数的火灾,触电事故!
在接触了N个“神人”后,我才发现现在一些黑心的中小功率开关电源,初级绕组上的保护钳位二极管竟然有的拿普通二极管去代替,再胆大的就干脆能省都给省掉了!街上那些5块钱甚至4块钱的220V变5V的,里面还剩个啥?现在的很多人使用手机充电器有恶劣习惯,把“充电器”插到插座里后,直到起火前,是永远不会拔下来的。
下图我早期的电源作品,小功率的充电器,单选方案和类型就搞了好几天,最终选择了TOP的方案。问题是我这一块样片的单价,就是某些人方案的三四倍以上!带有完整的过压、过流、短路保护,后来“神人”多了,这种完整保护结构的安全充电器上就因为成本拼不过,所以就......



比刀郎还冲动
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高级工程师
  • 2011-3-24 12:30:10
 
这是早起和一个研究所合作的作品


从那些老学究身上,我不仅学到了千瓦功率电源的设计思路,也为几个老人家的精艺求精和谦逊的品德所折服,同那个姓游的,整天到处喊“我很伟大,我很厉害,我从事这行XX年”的250“神人”比较,做人的差别真的巨大!
原先研究所的方案高低压区的散热片太过于靠近,且是平行的,被我顺口好心提了一下,消防监控数字化改造的专用千瓦电源,也要考虑到潮湿和雷击以及线路板积累灰尘的实际情况,(纯理想的高低压区安全距离是在干净新板上的数据)结果老人家连夜修改方案,并且完全采纳了我的这套方案,从上图可看出,散热片错开结构,而且高低压区的间隔不仅非常巨大,还挖空了底槽来绝缘。如果换成那姓游的“神人”听了逆耳的小意见,早就跳起来一阵臭骂!

PFC是功率因数变换装置,分为被动式和主动式两种形式,那些电脑城里装机的小弟要是老实的就什么也不说,卖电源就卖电源,不老实的且不懂装懂自以为装了几年机就是电脑神仙的,看你来买电源,一张口就会跟你吹此电源有PFC,PFC效率多高,能帮你省多少电费云云!又是“神人”啊!PFC功率因数变换,因数值有多高,高到0.8~0.9,甚至是0.95,跟你家的电费是一点关系都没有的!电源的转换效率才跟电费有关系。
功率因数转换的目的是什么?功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值。
说白了,电网是非常长的导体,可以看做一个等效的电感,在其中,电流超前电压滞后,产生一个相位差,且因为各种原因,其中还产生了许多电流谐波成分。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形,使输入电流波形呈纯正弦波,并且和输入电压同相位,此时整流器的负载可等效为纯电阻,电网中的实际功率就被充分利用了。
绘制的主动式PFC的最简等效电路



从图上可以看到,主动式也是通过一个MOSFET管开关控制一个线圈的能量释放来实现的,而MOSFET管受控与一个PWM控制模块,控制模块在全桥整流后分流取样输入信号,而在大滤波电解后,也有个输出分流取样回路。通过头尾取样的控制模块,给出了精确的MOSFET导通截止时间,令线圈的电流移相位达到最佳状态。
在之前,有网站披露了大量的被动式的PFC电感造假,并且刊登了大量的照片,现在在一个搞贸易朋友那的电源样板中,偶尔发现了假的主动式PFC,还真的有人搞成了假的主动式PFC糊弄人,早期被动式PFC是简单的把石头、铁片装进PFC大电感铁壳里,非常容易暴露,要是搞个假的主动式PFC,恐怕连行内的人都容易被视觉欺骗过去。
假的主动式PFC,他们居然找了一些塑料封装好的假MOSFET功率管,其实外表看上去象一个功率管,实际上里面是空的,什么电路都没有,三个引脚万用表测均都是无穷大。
主动式PFC普遍使用环形电感,他们制作了个塑料环,样子相当与环形电感的磁心,然后拿黄色胶带纸包上去,电线其实饶一两圈伸出来。而线路板上走线天马行空,假MOSFET管和电感也装模做样连接一下,我很纳闷到底主动PFC的PWM控制在哪里,后来明白是假的,所以根本就不需要。真是“神人”做的啊!
节省EMI必要的滤波元器件,这种人可以在漫画里被绘制成骷髅的形象。多年的设计和实验表明,去掉个PFC也就算了,过去的大功率电源都没有PFC,但是去掉开关电源中必要的EMI,对于整个大功率开关电源的安全造成严重的问题,中国的电网情况恐怕不用多说,爆管!炸电解!烧保险丝,谁叫你购买了完全没有EMI滤波的(裸体电源)!看图中,电路板上该插互感滤波器的部分被短路线短路了,电源输入插座直接焊线出来.






cmg
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  • 2011-3-25 08:41:08
 
大概看了一下,看来楼主以前是在做低端电源的厂里做过。那不代表中国电源的水平,多来世纪电源网看一下,你会学到很多东西。
allen-leon
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  • 2011-3-25 10:15:09
 
杯具,PFC ic居然用UC3845。。
WANGYUREN
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总工程师
  • 2011-3-26 09:47:55
 
WANGYUREN
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总工程师
  • 2011-3-26 09:37:43
 
跳线代换滤波器还算好点的,至少还给EMI抑制零件留个位置。
发现有的JS将滤波器俩脚的铜箔短路,碰见较真的客户直接试验滤波器装不装的效果,结果可想而知……
比刀郎还冲动
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高级工程师
  • 2011-3-24 12:32:50
 
正里八经的电源EMI该是什么样,可以从下图得到答案!







未来的开关电源发展,将是向MCU控制PWM化,超高频化,小体积化方向发展了,技术层面,功能层面也在更为尖端,问题是中国的“神人”们想象力丰富透顶,说不定到那时还有更恶心的五花八门的花样跑出来!比如说假的MCU,假的超高频••••连女人肚子里的孩子都能造假,中国的“神人”们还有什么不敢说,不敢做的!一个字“拽”!

电脑电源,内部的电解如果爆浆的话,在欧美洲可是天大的事情,爆一个都要赔死你,在中国,我们伟大的N个品牌,多少年了,在中国,原来爆浆门可以连续持续N多年的!而不用彻底解决的,从我长城电源爆浆到现在,这么多年就见怪不怪,中国的质检员甚至习惯与泡在爆浆的电解液中洗澡了!就压根儿没看见电视上把它当成新闻过!可以这样说,十个国产电源,一年半八个爆浆的不算夸张,就算外观不爆浆,容量严重下降的几乎肯定是百分之百。更何况我大名鼎鼎长城电源还带电阻变值的!看看人家丰田在美国!幸福的美国人啊!!真所谓“滚滚爆浆东逝水,神人掏尽钞票,是非成败不转头,神人依旧在!几度315!”

老早就放弃电源设计的路子,天大的路任我走!
电脑电源,笔记本电源适配器,手机充电器,打印机电源适配器••••••3C标准出来,但是能够约束规范到多少范围?我只知道劣质品依然在横行,有些人向用户推荐要买好的电源,问题是不仅中国的电脑用户无论如何都是省钱第一,甚至为了争夺老外的订单,中国自己的“神人”们在跟“神人”们互相较量!拉低价格,搞死对方,中国的“神人”何其多,要不怎叫“神州大地”?
暂时斗赢的“神人”威风满面,肥头大耳,嚣张放肆,出手阔锉,说话很拽,豪车闯红灯,没人敢拦,斗败的神人扔掉电话,抛家弃子东躲西藏!再看看人家日本人八十年代统一合伙哄抬电器价格,我们中国就•••••••••
一个曾经“拽”过一两年的“神人”,跑路前留下一句:“不这样没法活啊!”,意思说在这个行当里,有一个“神人”的话,你就一定也要做“神人”,不是你比他拽,就是他搞死你!环境造“神人”啊!昔日很拽,今日很惨!老婆孩子,东躲西藏!
在即将写完这个文章的时候,我只是想问问什么时候,中国的各个行业里能够少一些“神人、拽人、骗人”,多一些谦逊的学者型的人物,什么时候,社会的财富能够向真正尊重技术和知识的人倾斜?什么时候,行业中的知识技术能够全面地,不被过分的成本因素以及其它因素干扰,充分应用到行业产品中去?
sangjuen
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高级工程师
  • 2011-3-24 14:56:32
 
中国的“神人”们,好象楼主不是中国人?
半桥,全桥拓扑也是最基本的架构吧!
没见过中国人设计的好电源就在那里做井低之蛙!
朴华
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  • 2011-4-6 13:54:03
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看来楼主的经验很丰富啊,这些我都不知道,我才出学校实习,学习并致敬了~
比刀郎还冲动
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高级工程师
  • 2011-3-24 12:40:22
 
这照片是一场因为电脑电源引起的火灾!



再来一些假被动式PFC照片给大家结尾















名驹
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高级工程师
  • 2011-3-24 14:29:39
 
楼主牛人,佩服啊!我从学校毕业一年一直在做一些电子消费产品,对电源方面还不是太了解。但现在公司要我做电源方面的产品,当我问到我所谓的师傅,他也像你上面提到的“神”一样,总以为自己是对的。我提出的建议总说怎么可能我的是对的,让我很恼火,不就是对电源研究了两年吗?到现在也不过会做个反激,真受不了。经过我一个月的学习,对电源有了点认识,以后还要向楼主学习,还请楼主多多关照啊!
朴华
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副总工程师
  • 2011-4-6 13:55:33
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说的好啊,我也才出来学习~
xiawenjin
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高级工程师
  • 2011-3-24 22:05:31
 
国内的PC电源,你打开看看,里面都是这样的。2008年的时候我们几乎拆过每一个PC电源厂家的电源
SKYQD
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高级工程师
  • 2011-3-25 13:18:50
 
还有这种玩法,我这是开眼了。上星期刚组装的电脑,电源航嘉的回去拆了电源看看去,实在是这样,为了安全自己改装。
zmszsh
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本网技师
  • 2013-6-24 15:14:25
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这样也能做啊!
楼主讲一些设计要点啊!
小四
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  • 2011-3-24 15:31:19
 
楼主估计你是没有见过电源产品吧,无语!
Coming.Lu
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  • 2011-3-24 15:35:10
 
那个假工频电感的被动式PFC,我拆过一个,真的很假,而且做得还真像那么回事。
罗川
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  • 2011-3-24 21:56:49
 
经历了这么多事情,我也看到过很多电源因最求低成本而发生的事故,我也处理过相关的事情,头都大了,处理起来很烦的。让老板修改设计,老板说:每年出这个事故的次数不多,如果我要换材料会增加成本,把每年的材料成本钱减去事故发生所赔钱的差价是很大的。听到这些话我真的是没有办法了。
sangjuen
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高级工程师
  • 2011-3-24 23:23:38
 
上述图片有“中国特色”哈,不过只能代表惟利是图的小老板……无语!
jacksoon
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本网技师
  • 2011-3-25 00:14:41
 
这根本的原因就出在某些浙江厂的经营模式和经营思想,几利钱都去做这就造成了很多恶性竞价的现象.也不是说他们这种做法不对.但这便引发了恶性循环.你低价那我只能比你更低.单价下来便直接反应到成本上.这种循环也就没法停止.中国的设计人员也就没法按一些标准做下去.
Coming.Lu
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  • 2011-3-25 09:37:08
 
这种叫做:利益最大化,实际上是短期利益最大化而以。
YTDFWANGWEI
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  • 2011-3-25 09:04:19
 
初级绕组上的保护钳位二极管竟然有的拿普通二极管去代替。。。好像记得有帖子说过,在小功率情况下,采用这种方式对EMC有好处。
powerliu
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  • 2011-3-25 09:07:14
 
支持楼主。。。   
samuelyou
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本网技师
  • 2011-3-25 09:45:46
 
商家急功近利必将自取灭亡,监管缺失黑心商家继续捞大钱,天朝!
20088
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  • 2011-3-25 12:32:12
 
正是这样的市场不规范造成的结果,谁的错!
sangjuen
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高级工程师
  • 2011-3-25 23:14:25
 
谁也没错,这就是“中国特色”,当然不是全部。人要生存,谁让我们人多呢。唉……
XIAOTU80
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  • 2011-4-2 16:49:26
 
“连续模式指高频变压器在每个开关周期前,上周期能量并未完全泻放掉,下一周期立即补充能量,而不连续模式指高频变压器在完全泻放完全部能量后,在下一开关周期再补足能量。”
从能量的角度来说明连续模式和不连续模式的区别,很好
WANGYUREN
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  • 2011-4-2 17:05:17
 
严格来说是电感电流的连续与否
22世纪电星人
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  • 2011-4-2 21:45:57
 
在说丙类功放吗,我想用4M的晶振做个丙类电源,怎么做啊,本人菜鸟,高手讲下
WANGYUREN
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  • 2011-4-3 08:12:12
 
俺根本没玩过丙类功放,难道是指CLASS-D?
XIAOTU80
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  • 2011-4-6 09:33:31
 
看电流波形是最直接的,没有台阶就是临界和断续模式
WANGYUREN
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啥台阶?
庞展
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  • 2011-5-2 17:30:23
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压低成本,拼价格,自杀。
WANGYUREN
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powerliu
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  • 2011-5-3 08:44:10
  • 倒数5
 
呵呵,拼的就是成本。
庞展
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当人力成本需要考虑的时候,开谁还敢拼成本。
吾先明
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  • 2013-6-24 14:45:24
  • 倒数3
 
其实,你错了。很多工程师都会借助示波器来看各个关键点的波形,理论计算各个参数。至少我所在的研发中心就是,一个好的方案可靠性是首要考虑的。
Coming.Lu
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  • 2013-6-24 17:54:01
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一分钱一分货。
买家要便宜,生产商当然要做便宜。
我怎么就没有发现自己用的电源这样偷工减料呢。
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