多層線路板在開關電源電路中的應用
最近幾年，隨著多層線路板在開關電源電路中應用，使得印制線路變壓器成為可能，由于多層板，層間距較小，也可以充分利用變壓器窗口截面，可在主線路板上再加一到兩片由多層板組成的印制線圈達到利用窗口，降低線路電流密度的目的，由于采用印制線圈，減少了人工干預，變壓器一致性好，平面結(jié)構(gòu)，漏感低，偶合好。開啟式磁芯，良好的散熱條件。由于其具有諸多的優(yōu)勢，有利于大批量生產(chǎn)，所以得到廣泛的應用。但研制開發(fā)初期投入較大，不適合小規(guī)模生。
開關電源分為，隔離與非隔離兩種形式，在這里主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式，在下文中，非特別說明，均指隔離電源。隔離電源按照結(jié)構(gòu)形式不同，可分為兩大類：正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止，變壓器儲能。原邊截止時，副邊導通，能量釋放到負載的工作狀態(tài)，一般常規(guī)反激式電源單管多，雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載，能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激，包括單管正激，雙管正激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。
正激和反激電路各有其特點，在設計電路的過程中為達到最優(yōu)性價比，可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路，中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路，低電壓時采用推挽電路，與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出，一般采用橋式電路，低壓也可采用推挽電路。
反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡單，省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感，而在中小功率電源中得到廣泛的應用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦，輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢，實現(xiàn)起來有難度。本人認為一般情況下是這樣的，但也不能一概而論，PI公司的TOP芯片就可做到300瓦，有文章介紹反激電源可做到上千瓦，但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關。
反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數(shù)，由于反激電源需要變壓器儲存能量，要使變壓器鐵芯得到充分利用，一般都要在磁路中開氣隙，其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率，使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊，而不至于鐵芯進入飽和非線形狀態(tài)，磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài)，在磁路中產(chǎn)生漏磁遠大于完全閉合磁路。
變壓器初次極間的偶合，也是確定漏感的關鍵因素，要盡量使初次極線圈靠近，可采用三明治繞法，但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯，可減小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。
關于反激電源的占空比，原則上軍用電源的最大占空比應該小于0.5，否則環(huán)路不容易補償，有可能不穩(wěn)定，但有一些例外，如美國PI公司推出的TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的條件下。占空比由變壓器原副邊匝數(shù)比確定，本人對做反激的看法是，先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值)，在一定電壓范圍內(nèi)反射電壓提高則工作占空比增大，開關管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小，開關管損耗增大。當然這也是有前提條件，當占空比增大，則意味著輸出二極管導通時間縮短，為保持輸出穩(wěn)定，更多的時候?qū)⒂奢敵鲭娙莘烹婋娏鱽肀ＷC，輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷，而使其發(fā)熱加劇，這在許多條件下是不允許的。
占空比增大，改變變壓器匝數(shù)比，會使變壓器漏感加大，使其整體性能變，當漏感能量大到一定程度，可充分抵消掉開關管大占空帶來的低損耗，時就沒有再增大占空比的意義了，甚至可能會因為漏感反峰值電壓過高而擊穿開關管。由于漏感大，可能使輸出紋波，及其他一些電磁指標變差。當占空比小時，開關管通過電流有效值高，變壓器初級電流有效值大，降低變換器效率，但可改善輸出電容的工作條件，降低發(fā)熱。如何確定變壓器反射電壓(即占空比)？
有網(wǎng)友提到開關電源的反饋環(huán)路的參數(shù)設置，工作狀態(tài)分析。由于在上學時高數(shù)學的比較差，《自動控制原理》差一點就補考了，對于這一門現(xiàn)在還感覺恐懼，到現(xiàn)在也不能完整寫出閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，對于系統(tǒng)零點、極點的概念感覺很模糊，看波德圖也只是大概看出是發(fā)散還是收斂，所以對于反饋補償不敢胡言亂語，但有有一些建議。如果有一些數(shù)學功底，再有一些學習時間可以再把大學的課本《自動控制原理》找出來仔細的消化一下，并結(jié)合實際的開關電源電路，按工作狀態(tài)進行分析。一定會有所收獲，論壇有一個帖子《拜師求學反饋環(huán)路設計、調(diào)式》其中CMG回答得很好，我覺得可以參考。
接著談關于反激電源的占空比(本人關注反射電壓，與占空比一致)，占空比還與選擇開關管的耐壓有關，有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關管，如600V或650V作為交流220V輸入電源的開關管，也許與當時生產(chǎn)工藝有關，高耐壓管子，不易制造，或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特性，像這種線路反射電壓不能太高，否則為使開關管工作在安全范圍內(nèi)，吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。實踐證明600V管子反射電壓不要大于100V，650V管子反射電壓不要大于120V，把漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作余量。現(xiàn)在由于MOS管制造工藝水平的提高，一般反激電源都采用700V或750V甚至800-900V的開關管。像這種電路，抗過壓的能力強一些開關變壓器反射電壓也可以做得比較高一些，最大反射電壓在150V比較合適，能夠獲得較好的綜合性能。PI公司的TOP芯片推薦為135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位。但他的*估板一般反射電壓都要低于這個數(shù)值在110V左右。這兩種類型各有優(yōu)缺點：
第一類：缺點抗過壓能力弱，占空比小，變壓器初級脈沖電流大。優(yōu)點：變壓器漏感小，電磁輻射低，紋波指標高，開關管損耗小，轉(zhuǎn)換效率不一定比第二類低。
第二類：缺點開關管損耗大一些，變壓器漏感大一些，紋波差一些。優(yōu)點：抗過壓能力強一些，占空比大，變壓器損耗低一些，效率高一些。
反激電源反射電壓還有一個確定因素
軍用開關電源的反射電壓還與一個參數(shù)有關，那就是輸出電壓，輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大，變壓器漏感越大，開關管承受電壓越高，有可能擊穿開關管、吸收電路消耗功率越大，有可能使吸收回路功率器件永久失效(特別是采用瞬變電壓抑制二極管的電路)。在設計低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理，其處理方法有幾個：
1、采用大一個功率等級的磁芯降低漏感，這樣可提高低壓反激電源的轉(zhuǎn)換效率，降低損耗，減小輸出紋波，提高多路輸出電源的交差調(diào)整率，一般常見于家電用開關電源，如光碟機、DVB機頂盒等。
2、如果條件不允許加大磁芯，只能降低反射電壓，減小占空比。降低反射電壓可減小漏感但有可能使電源轉(zhuǎn)換效率降低，這兩者是一個矛盾，必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點，在變壓器替代實驗過程中，可以檢測變壓器原邊的反峰電壓，盡量降低反峰電壓脈沖的寬度，和幅度，可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時比較合適。
3、增強耦合，降低損耗，采用新的技術，和繞線工藝，變壓器為滿足安全規(guī)范會在原邊和副邊間采取絕緣措施，如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能，現(xiàn)實生產(chǎn)中可采用初級繞組包繞次級的繞法。或者次級用三重絕緣線繞制，取消初次級間的絕緣物，可以增強耦合，甚至可采用寬銅皮繞制。
文中低壓輸出指小于或等于5V的輸出，像這一類小功率電源，本人的經(jīng)驗是，功率輸出大于20W輸出可采用正激式，可獲得最佳性價比，當然這也不是決對的，與個人的習慣，應用的環(huán)境有關系，下次談一談反激電源用磁性芯，磁路開氣隙的一些認識，希望各位高人指點。
反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài)，所以磁路需要開氣隙，類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為：由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線)，在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B)，現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點在400mT以上，一般此值在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜，在同樣的磁感應強度下，可承受更大的磁化電流，則相當于磁心儲存更多的能量，此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路，反激電源磁芯開氣隙有兩個作用。其一是傳遞更多能量，其二防止磁芯進入飽和狀態(tài)。
反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài)，不僅要通過磁耦合傳遞能量，還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心，氣隙太大可使漏感變大，磁滯損耗增加，鐵損、銅損增大，影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和，導致電源損壞
所謂反激電源的連續(xù)與斷續(xù)模式是指變壓器的工作狀態(tài)，在滿載狀態(tài)變壓器工作于能量完全傳遞，或不完全傳遞的工作模式。一般要根據(jù)工作環(huán)境進行設計，常規(guī)反激電源應該工作在連續(xù)模式，這樣開關管、線路的損耗都比較小，而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力，但是這也有一些例外。需要在這里特別指出：由于反激電源的特點也比較適合設計成高壓電源，而高壓電源變壓器一般工作在斷續(xù)模式，本人理解為由于高壓電源輸出需要采用高耐壓的整流二極管。由于制造工藝特點，高反壓二極管，反向恢復時間長，速度低，在電流連續(xù)狀態(tài)，二極管是在有正向偏壓時恢復，反向恢復時的能量損耗非常大，不利于變換器性能的提高，輕則降低轉(zhuǎn)換效率，整流管嚴重發(fā)熱，重則甚至燒毀整流管。由于在斷續(xù)模式下，二極管是在零偏壓情況下反向偏置，損耗可以降到一個比較低的水平。所以高壓電源工作在斷續(xù)模式，并且工作頻率不能太高。還有一類反激式電源工作在臨界狀態(tài)，一般這類電源工作在調(diào)頻模式，或調(diào)頻調(diào)寬雙模式，一些低成本的自激電源(RCC)常采用這種形式，為保證輸出穩(wěn)定，變壓器工作頻率隨著，輸出電流或輸入電壓而改變，接近滿載時變壓器始終保持在連續(xù)與斷續(xù)之間，這種電源只適合于小功率輸出，否則電磁兼容特性的處理會很讓人頭痛。
反激開關電源變壓器應工作在連續(xù)模式，那就要求比較大的繞組電感量，當然連續(xù)也是有一定程度的，過分追求絕對連續(xù)是不現(xiàn)實的，有可能需要很大的磁芯，非常多的線圈匝數(shù)，同時伴隨著大的漏感和分布電容，可能得不償失。那么如何確定這個參數(shù)呢，通過多次實踐，及分析同行的設計，本人認為，在標稱電壓輸入時，輸出達到50%~60%變壓器從斷續(xù)，過渡到連續(xù)狀態(tài)比較合適。或者在最高輸入電壓狀態(tài)時，滿載輸出時，變壓器能夠過渡到連續(xù)狀態(tài)就可以了。
新的器件和新的拓撲理論的出現(xiàn)使得開關電源技術日趨可靠、成熟、經(jīng)濟、適用。開關電源目前的發(fā)展,可以概括為以下幾個方面：
1、高頻化技術
隨著開關頻率的提高，開關變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動態(tài)響應得到改善。小功率DC/DC變換器的開關頻率將上升到MHz。但隨著開關頻率的不斷提高，開關元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也將隨之產(chǎn)生。
2、數(shù)字化技術
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作。目前，在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域。近年來，數(shù)字電源的研究勢頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司主要有TI和Microchip。
3、軟開關技術
為提高變換器的變換效率，各種軟開關技術應用而生，具有代表性的是無源軟開關技術和有源軟開關技術，主要包括零電壓開關/零電流開關(ZVS/ZCS)諧振、準諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過渡/零電流過渡脈寬調(diào)制(ZVT/ZCT-PWM)技術等。采用軟開關技術可以有效地降低開關損耗和開關應力，有助于變換器變換效率的提高。
4、功率因數(shù)校正技術(PFC)
由于AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，在正弦電壓輸入時,單相整流電源供電的電子設備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6～0.65。采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小于20%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相，APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術已較成熟。目前PFC技術主要分為有源PFC技術和無源PFC技術兩大類，采用PFC技術可以提高AC/DC變化器輸入端功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。
5、模塊化技術
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。近年來，有些公司把開關電源的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流、毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，這樣的模塊經(jīng)過嚴格合理的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。
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