開關(guān)電源PCB布板和EMI設(shè)計詳解

摘要 1 評估設(shè)計要求（指標） 2 主電路方案選擇 3 元器件設(shè)計方法 4 各種模式Flyback 電路設(shè)計 5 損耗分析及機構(gòu)布局設(shè)計 6 PCB布板和EMI

評估設(shè)計指標 ? ? ?

1、輸入?yún)?shù)：輸入電壓大小，交流還是直流，相數(shù)，頻率等。

國際電壓等級有單相120Vac，220Vac，230Vac等。國際通用的交流電壓范圍為85～265V。一般包括輸入電壓額定值及其變化范圍；

3kW以下功率常選用單相輸入，5kW以上選用三相輸入；

工業(yè)用電頻率一般為50Hz或者60Hz,航空航天電源、船舶用電為400Hz.

有無功率因數(shù)（Power Factor)和諧波（Total Harmonics Distortion)指標

2、輸出參數(shù)：輸出功率，輸出電壓，輸出電流，紋波，穩(wěn)壓(穩(wěn)流)精度，調(diào)整率，動態(tài)特性(穩(wěn)定時間：settling time)、電源的啟動時間和保持時間。

輸出電壓：額定值＋調(diào)節(jié)范圍。輸出電壓的上限應(yīng)盡量靠近額定值，以避免不必要的過大的設(shè)計余量。

輸出電流：額定值＋過載倍數(shù)。有穩(wěn)流要求的還會指定調(diào)節(jié)范圍。有些電源不允許空載，因此還應(yīng)指定電流下限。

穩(wěn)壓穩(wěn)流精度：影響因素包括輸入電壓調(diào)整率，負載調(diào)整率，時效偏差?；鶞试淳?、檢測元件精度、控制電路中運放的精度對穩(wěn)壓穩(wěn)流精度影響很大。

3、效率：額定輸入電壓與額定輸出電壓、額定輸出電流時輸出功率與輸入有功功率的比值。

損耗：與開關(guān)頻率密切相關(guān)的損耗：開關(guān)器件的開關(guān)損耗，磁性元件的鐵損，吸收電路的損耗。

電路中的通態(tài)損耗：開關(guān)器件的通態(tài)損耗，磁性元件的銅損，線路損耗。這部分損耗取決于電流。

其它損耗：控制電路損耗，驅(qū)動電路的損耗等一般輸出電壓較高的電源的效率高于輸出電壓較低的電源。高輸出電壓的電源效率可達90％～95％的效率。大功率電路的效率可以比小功率電路的效率做得更高。

4、電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率

電壓（源）調(diào)整率：電源調(diào)整率通常以額定負載條件下，由輸入電壓變化所造成其輸出電壓偏差率。如下列公式所示：Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal)，或者規(guī)定其輸出電壓之偏差量須於規(guī)定之上下限范圍內(nèi)，即輸出電壓之上下限絕對值以內(nèi)。

負載調(diào)整率：負載調(diào)整率的定義為開關(guān)電源於輸出負載電流變化時，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力?；蛘咻敵鲐撦d電流變化下，其輸出電壓偏差量不得超過上下限絕對值。

測試方法：待測電源在正常輸入電壓及負載狀況下熱機穩(wěn)定後，測量正常負載下的輸出電壓值，再分別測量輕載(Min)、重載(Max)負載下其輸出電壓值(分別為Vmax與Vmin)，負載調(diào)整率通常以正常固定輸入電壓下，由負載電流變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比，如下列公式所示：V0(max)-V0(min) / V0(normal) ?

5、動態(tài)特性：負載突變時輸出電壓的變化

開關(guān)電源通過反饋控制回路保證其輸出電壓穩(wěn)定，實際上反饋控制回路有一定的頻寬，因此限制了電源供應(yīng)器對負載電流變化時的反應(yīng)，可能引起開關(guān)電源不穩(wěn)定、失控或振蕩之現(xiàn)象。實際上，電源供應(yīng)器工作時的負載電流也是動態(tài)變化的，因此動態(tài)負載測試對電源供應(yīng)器而言是極為重要的。

可編程序電子負載可用來模擬電源供應(yīng)器實際工作時最惡劣的負載情況，如負載電流迅速上升、下降之斜率、周期等，若電源供應(yīng)器在惡劣負載狀況下，仍能夠維持穩(wěn)定的輸出電壓不產(chǎn)生過沖(Overshoot)或過低(Undershoot)情形，否則會導(dǎo)致電源輸出電壓超過負載元件(如TTL電路其輸出瞬時電壓應(yīng)介於4.75V至5.25V之間，才不致引起TTL邏輯電路之誤動作)工作范圍。

6、電源啟動時間(Set-Up Time)與保持時間(Hold-Up Time)

啟動時間：指電源從輸入接上電源起到其輸出電壓上升到穩(wěn)壓范圍內(nèi)為止的時間，以一輸出為5V的電源供應(yīng)器為例，啟動時間為從電源開機起到輸出電壓達到4.75V為止的時間。

保持時間：電源從切斷輸入電源起到其輸出電壓下降到穩(wěn)壓范圍外為止的時間，以一輸出為5V的電源供應(yīng)器為例，保持時間為從關(guān)機起到輸出電壓低於4.75V為止的時間，一般值為10－20ms，以避免電力公司供電中由于短時電壓中斷（半個或一個電網(wǎng)電壓周期）時負載工作受到影響。

7、多路輸出電源的交叉調(diào)整率：

多輸出還需要考慮交叉調(diào)整率（Cross Regulation）。

什么是交叉調(diào)整率？

一路輸出負載變化時，另一路輸出電壓的變化范圍。

提高交叉調(diào)整率的常規(guī)辦法：后級調(diào)整

如：小功率多路輸出Flyback

輸入電壓范圍..............90～264VAC， 120-370VDC 輸入電流..................2.0A/115V 1.1A/230V，輸入頻率：47～63HZ 沖擊電流..................冷啟動電流20A/115V 40A/230V 漏電流....................< 2mA/240VAC 輸出電壓調(diào)節(jié)范圍..........CH1 ：-5～+10% 電壓調(diào)整率................CH1：< 1% ， CH2：< 1% 負載調(diào)整率................CH1：< 3% ，CH2/3：< 4-8% 過載保護..................105%～150% 保護類型：電流限制，自動恢復(fù) 過壓保護..................115-135%CH1額定輸出電壓溫度系數(shù)..................±0.03%℃(0～50℃) 啟動、上升、保持時間......800ms,60ms,20ms 抗震性....................10～500Hz,2G 三軸10min./1周期,每軸1小時耐壓性....................輸入-輸出：3KVAC，輸入-外殼：1.5KVAC，輸出-外殼：0.5KVAC 1分鐘絕緣電阻...............輸入-輸出、輸入-地、輸出-地500VDC/100M Ohms 工作溫度、濕度............-10℃～+60℃，20%～90%RH(0-45℃/100%,-10℃/80%,60℃/60% LOAD）存儲溫度、濕度............-20℃～+85℃,10%～95RH 外形尺寸..................199*99*50mm CASE 916A 重量......................0.6kg；20pcs/13kg/1.17CUFT 安全標準..................滿足UL1310,TUV EN60950要求 EMC/諧波標準............... 滿足 EN55022 class B/A,EN61000-3-2,3? EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204

二、選擇合適主電路拓撲(AC-DC) ? ? ?

基本原則：功率等級，成本，效率，尺寸大小

功率在75瓦以下時，一般不對輸入側(cè)諧波進行限制。因此選用電路簡單、成本低廉的反激式電路。日本限制50W以下。照明要求更高，25W。

電路功率在75瓦以上一般電源要求滿足諧波IEC61000-3-2。一般要求有功率因數(shù)校正，因此大多采用兩級的方案。Boost PFC+Flyback; <100W、Boost PFC+half bridge 100W< <500W

當(dāng)更大功率（500瓦以上），可采用半橋或者全橋。成本要求嚴，就選擇半橋，功率大則選擇全橋。推挽型電路通常用于功率較大，輸入電壓很低的場合。

一般功率小于20W時，由于電源的損耗以磁元件，開關(guān)，和驅(qū)動損耗為主，通態(tài)損耗比重小（電流?。?，因此選擇電路拓撲簡單的方案。如DCM Flyback。

當(dāng)電源的損耗以通態(tài)損耗為主時（大功率，或者低壓大電流），需要考慮能夠降低通態(tài)損耗的方案。比如：同步整流，多級轉(zhuǎn)換，并聯(lián)，混合拓撲等。

三、元器件設(shè)計 ? ? ?

例：Flyback主電路中哪些元器件需要我們設(shè)計?

① 計算電路工作參數(shù)。輸入、輸出電壓 ② 運行參數(shù)。開關(guān)頻率、最大占空比 ③ 變壓器。 ④ 開關(guān)管－電壓，電流 ⑤ 副邊二極管－電壓、電流 ⑥ 輸出濾波電容 ⑦ 吸收電路

設(shè)計步驟

（一）、確定輸入直流母線的電壓變化范圍：

1）隨輸入變化范圍

2）每個工頻周期內(nèi)電壓變化

（二）、設(shè)計開關(guān)頻率fs，最大占空比Dmax＝0.45

? 按照要求設(shè)定開關(guān)頻率 ? 根據(jù)輸入功率，并假定最低電壓最大占空比，剛好臨界連續(xù)，然后確定電感峰值電流 Pinmax＝Pomax/efficiency Iavgmax=Pinmax/VDCmin Ipeak=2*Iavgmax/D

（三）、設(shè)計反激變壓器

– 根據(jù)最大峰值電流，確定原邊電感量

Pinmax＝0.5*Lm*Ipeak2*fs

– 根據(jù)經(jīng)驗，選定磁芯尺寸，計算原邊匝數(shù)。

Np＝（Lm*Ipeak)/(Ae*Bmax)

Ae是磁芯截面積；Bmax是設(shè)計的最大磁通密度。

– 根據(jù)電感量和匝數(shù)，設(shè)計氣隙。

– 根據(jù)原邊開關(guān)管的額定電壓選擇合適的匝比。為了獲得較好的副邊交叉調(diào)整率，有時候需要調(diào)整變壓器原邊的匝數(shù)。

例：副邊Vo1：Vo2＝5：3

初步計算得到：Ns1＝3，Ns2＝1.8；如果Ns2取2匝，則調(diào)整率可能比較差。于是，修改副邊匝數(shù)，Ns1=5，Ns2＝3。

(四）、開關(guān)管選擇：功率MOSFET

開關(guān)管電壓應(yīng)力：

例：原邊選擇650V的MOSFET，則原邊的開關(guān)管的電壓應(yīng)力不應(yīng)超過600V。

于是計算最大應(yīng)力：Vpmax=VDCmax＋（Vo＋Vdrop）*Np/Ns+60V

開關(guān)管電流應(yīng)力：

計算變壓器原邊的最大電流

一般情況下：Vo*Np/Ns<140V；

考慮，原邊開關(guān)管的應(yīng)力，副邊二極管的電壓應(yīng)力，最大占空比三者折衷。

（五）、副邊二極管的選擇：

– 快恢復(fù)二極管

– 計算二極管的耐壓

VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1.3

（六）、輸出濾波電容的選擇：

根據(jù)電流/電壓應(yīng)力，紋波要求，選擇電解電容。

（七）、RCD 吸收電路

考慮問題點：

1）吸收效果

2）損耗盡可能小

吸收效果與損耗之間折衷！

不僅對FLYback，所有存在R的吸收電路都同樣的設(shè)計原則。

損耗估算方法：

1）Psnuber=Vc2/R

MOSFET關(guān)斷時,當(dāng)Vds超過RCD緩沖電路中的電容兩端的電壓VSN時,緩沖二極管導(dǎo)通.尖峰電流被RCD電路吸收,從而削減了尖峰電流. 緩沖電容一定要足夠大,才能保證在一個開關(guān)周期內(nèi)電容兩端的電壓沒有顯著變化.但是吸收電容太大，也會增加緩沖電路的損耗。必須折中。

吸收電路消耗的電能可由下式計算得。則取電阻為3W的功率電阻，其阻值和電容值可由軟件計算得，如下圖