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《快快乐乐跟我学开关电源设计》<br /> 2009/05/12 asdjf@163.com www.armecos.com<br /><br /> “我想DIY开关电源，要具备哪些理论知识、实践技能和工程素质啊？”<br /> “如何从给定的设计规格设计出开关电源？具体步骤是什么？”<br /> “开关电源中的电感、变压器怎么自己制作？控制芯片如何选型？”<br /> “如何选择磁芯外形、变频器类型、工作频率、计算各种参数呢？”<br /> “如何进行优化和折中？”<br /> ......<br /> <br /> 电源是一切电子设备的心脏，没有电源，电子设备就不可能工作。《增值包》用户希望了解目前最流行的开关电源设计制作方法，为此，我们提供此入门文档，完善《增值包》知识库体系，满足用户需求。虽然市面上有很多介绍开关电源的书籍，但仍然缺少快速入门及经验总结类的资料，所以，尽管资料丰富，但还是有很多人不知道怎样利用。当然这篇文档只是入门介绍，深入研究还要看其他专著。<br /> <br /> 从电网得到的交流电或由电池取得的直流电是随环境温度、时间和负载所变化的，它们不能直接成为电子设备所需的内部电源。电子设备由于要完成许多高级的功能，对其供电电源的精度随环境的变化，动态响应能力，还有很多其他的指标都有非常高的要求。将电网或电池的一次电能转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的变换设备就是我们这里要讲的电源。<br /> <br /> 随着片状电子元件、表面安装技术及大规模集成电路的发展，电子产品越来越小型化、轻型化，如何缩小电源的体积减轻重量，提高电源的转换效率，增强对电网电压的适应性，是人们致力于研究的重点。<br /> <br /> 一个比较好的解决方案是：以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器，采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源，即我们马上就要讲到的开关电源。<br /> <br /> 开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点，目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。<br /> <br /> 开关电源按变换方式可分为以下四大类：<br /> 1、AC/DC 开关电源<br /> 2、DC/DC 开关电源<br /> 3、DC/AC 逆变器<br /> 4、AC/AC 变频器<br /> <br /> 目前只将前面两类称为开关电源，将后面两类分别称为逆变器和变频器。<br /> <br /> 开关电源按应用方式可分为以下三大类：<br /> 1、外置电源<br /> 与设备分开放置的电源模块或电源系统，如：<br /> ---通信用一次电源模块和系统<br /> ---电力操作电源模块和系统<br /> ---手机电池充电器<br /> ---笔记本电脑的Adapter<br /> ---各类手提设备、便携设备的电池充电器等等<br /> 2、内置电源<br /> 放在设备内部的电源模块或电源系统，如：<br /> ---计算机内部的SilverBox和VRM<br /> ---家电(如：普通电视机、等离子电视机、液晶电视机)内部的供电电源<br /> ---工业控制设备内部的电源<br /> ---仪器中使用的电源<br /> ---通信设备内部的电源模块和系统<br /> ---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等<br /> 3、板上电源<br /> 放在设备内单板上的电源模块，如：<br /> ---标准砖类电源(全砖、半砖、1/4砖、1/8砖)<br /> ---非隔离POL(Point of Load 负载点)变换器<br /> ---VRM(Voltage regulator module电压调节模块)和VRD(Voltage regulator down)<br /> ---小功率SMD电源<br /> ---SIP和DIP电源等等<br /> <br /> 开发一个开关电源产品所需要的基本技能：<br /> 1、认识组成开关电源的所有元器件<br /> 2、掌握各种元器件的电气性能和电路符号<br /> 3、会自己制作各种磁芯元件<br /> 4、会正确装配电源中的各个部分<br /> 5、了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法<br /> 6、会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试，优化和折中<br /> 7、会对获得的实验结果进行分析，并进行总结<br /> 8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人交流<br /> <br /> 开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识：<br /> 1、有源PFC的拓扑分析，控制与设计<br /> 2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态分析<br /> 3、开关电源的功率级参数设计<br /> 4、开关电源的控制与动态分析<br /> 5、开关电源的小信号分析与设计<br /> 6、开关电源的大信号分析与设计<br /> 7、开关电源的EMI分析与设计<br /> 8、开关电源的热分析与设计<br /> 9、开关电源的容差分析与设计<br /> 10、开关电源的各种保护技术<br /> 11、开关电源的同步整流技术<br /> 12、开关电源的模块均流控制技术<br /> <br /> 有些技术很成熟了，只要查表或者使用现成电路或专用芯片就可以做好。<br /> EMI比较困难，因为元件特性会变化。PCB布线也比较讲究，可以参考《快快乐乐跟我学高速PCB设计》一书。<br /> 这些专业知识如何获得呢？<br /> 1、参加专业会议<br /> 2、书本上<br /> 3、参加培训<br /> <br /> -------<br /> ATX电源<br /> -------<br /> 一个非常容易找到的开关电源就是PC机里用的ATX电源了。拆开电源可以看到里面的构造：<br /> 1、220V 50HZ交流输入<br /> 2、保险管<br /> 3、交流互感滤波(对高于50HZ高次谐波滤波，避免对后面电路的高频干扰)<br /> 4、二极管桥式整流电路<br /> 5、滤波电容<br /> 6、开关管<br /> 7、开关变压器<br /> 8、辅助电源(为电源监控部件、保护电路、控制电路等电路供电。)<br /> 9、开关激励脉冲形成电路(集成电路TL494和LM339比较器，开关振荡稳压控制，控制开关管)<br /> 10、光耦/激励变压器(将激励脉冲送到开关管的桥梁)<br /> 11、高频滤波电感和电容(滤除高次谐波)<br /> 12、直流电压输出<br /> <br /> ATX接口定义：(有防插反缺口)<br /> ATX主板电源接口<br /> +3.3VDC +3.3VDC COM +5VDC COM +5VDC COM PWR_OK +5VSB +12VDC<br /> +3.3VDC -12VDC COM PS_ON# COM COM COM -5VDC +5VDC +5VDC<br /> <br /> 硬盘、光驱电源接口<br /> +12VDC COM COM +5VDC<br /> <br /> 软驱电源接口<br /> +5VDC COM COM +12VDC<br /> <br /> AUX电源接口<br /> COM COM COM +3.3VDC +3.3VDC +5VDC<br /> <br /> p4主板12V电源接口<br /> COM COM<br /> +12VDC +12VDC<br /> <br /> ATX采用颜色区分，仅凭颜色就可以知道电压值：<br /> 白色 -5V<br /> 红色 +5V<br /> 黑色 地<br /> 黄色 +12V<br /> 蓝色 -12V<br /> 橙色 +3.3V<br /> 灰色 POW_OK +5V 开机自检启动信号<br /> 紫色 +5VSB 待机电源<br /> 绿色 PS_ON# +5V 电源启停控制<br /> <br /> 几个控制信号的说明：<br /> POW_OK信号(在AT电源中及部分电源板上称P.G信号)为微机开机自检启动信号，为了防止开机时各路输出电路时序不定，CPU或各部件未进入初始化状态造成工作错误及突然停电时，硬盘磁头来不及移至着陆区造成盘片划伤，微机电源中均设置了POW_OK信号。<br /> <br /> PS_ON#信号：ATX电源最主要的特点就是，它不采用传统的市电开关来控制电源是否工作，而是采用“＋5VSB、PS_ON#”的组合来实现电源的开启和关闭，只要控制 “PS_ON#”信号电平的变化，就能控制电源的开启和关闭。电源中的S-ON控制电路接受PS_ON#信号的控制，当“PS_ON#”小于1V伏时开启电源，大于4.5伏时关闭电源。主机箱面上的触发按钮开关(非锁定开关)控制主板的“电源监控部件”的输出状态，同时也可用程序来控制“电源监控件”的输出，如在WIN9X平台下，发出关机指令，使“PS_ON#”变为＋5V，ATX电源就自动关闭。<br /> <br /> +5VSB：待机电源，上电后一直存在，该输出连接到ATX主板的“电源监控部件”，作为它的工作电压，使操作系统可以直接对电源进行管理。通过此功能，实现远程开机，完成电脑唤醒功能。<br /> <br /> ATX电源需要短接PS_ON#和COM(即ATX主板电源接口的14脚和15脚短接)才能启动(此时电源散热风扇转动)。<br /> <br /> ------------------<br /> 开关电源变压器设计<br /> ------------------<br /> 开关电源变压器是开关电源中的核心部件，作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。由于开关变压器的工作频率很高，因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小，同时变压器的分布参数亦不能忽略。设计时需要考虑磁芯材料选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等。<br /> <br /> 开关电源变压器工作于高频状态，分布参数有漏感、分布电容和电流趋肤效应。一般根据开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应则作为选择导线规格的条件之一。<br /> <br /> 开关电源变压器的工作状态与开关型功率变换器的电路形式有关，一般根据功率大小，使用要求，采用不同形式的功率变换器。不同的电路形式，开关电源变压器工作状态也不同，对开关电源变压器也提出了不同的设计要求。<br /> <br /> 变换器形式有：双极性(推挽式、全桥式、半桥式)，单端正激式，单端反激式等。<br /> <br /> 开关电源变压器中使用的是软磁材料。比如：铁氧体材料。铁氧体材料很容易加工成各种形状，可根据开关变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁芯形状。磁芯型号主要有：EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每种型号又有很多尺寸规格可以选择。<br /> <br /> 开关电源变压器参数计算：漏感计算、分布电容计算、穿透深度(导线选择)、交流电阻计算、电流有效值。<br /> <br /> 开关电源变压器设计<br /> 设计内容：<br /> 1、磁芯规格<br /> 2、匝数与导线规格<br /> 3、损耗与温升<br /> 4、导线结构：多股线或扁平线<br /> 5、绕组结构：多层或分段饶制<br /> 6、端空设计：按绝缘电位设计端空<br /> <br /> 设计条件：<br /> 1、电路形式：给出变换器的形式，输入输出电路及所用元器件<br /> 2、工作频率或周期<br /> 3、变换器输入最高、最低电压<br /> 4、输出电压和电流<br /> 5、开关管最大导通时间<br /> 6、开关管导通电压降及整流二极管正向电压降<br /> 7、隔离电位<br /> 8、要求的漏感或分布电容<br /> 9、温升要求<br /> 10、磁芯形状<br /> 11、工作环境条件<br /> <br /> 设计参数的确定：<br /> 1、磁感应强度B和电流密度J<br /> 磁感应强度B、变压器铜耗Pm、电流密度J<br /> 2、变压器和线圈的结构参数<br /> 铜线占空系数、平均匝长、变压器表面积、磁芯结构常数<br /> <br /> 开关电源变压器设计举例(略)<br /> <br /> 铁氧体材料的开关电源变压器采用标准化设计，通过查表的方法简化工作量。<br /> 表格包含了如下信息：<br /> <br /> 变换器类型<br /> 工作频率<br /> 变压器温升<br /> 磁芯规格<br /> 技术指标<br /> 直流功率、增量磁感、剩余磁感、电流密度、电压调整率、电感系数<br /> 损耗指标<br /> 磁芯损耗、线圈铜耗、散热面积、单位损耗、效率<br /> 结构参数<br /> 结构常数、平均匝长、等效截面、磁路长度、气隙厚度、磁芯体积<br /> 线圈参数<br /> 初级每匝伏数、次级每匝伏数、绕线宽度、绕线厚度、占空系数<br /> <br /> ----------------------------<br /> 不同形状的铁氧体磁芯电感计算<br /> ----------------------------<br /> 略<br /> <br /> ----------------<br /> 开关电源设计举例<br /> ----------------<br /> <br /> ----------------<br /> 开关电源设计优化<br /> ----------------<br /> <br /> ----------------<br /> 开关电源设计折中<br /> ----------------
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