首先從開關電源的設計及生產工藝開始描述吧。開關電源工作在高頻率,高脈衝狀況,屬於摹擬電路中的一個比較特殊品類。布板時須遵循高頻電路佈線原則。
1、佈局：脈衝電壓串線儘可能短,其中輸入開關管到變壓器串線,輸出變壓器到整流管連線線。脈衝電流環路儘可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關管歸回電容負。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容歸回變壓器電路中X電容要儘量接近開關電源輸入端,輸入線應避免與其他電路平行,應避開。Y電容應放置在機殼接地端子或FG連線端。共摸電感應與變壓器保持必然距離,以避免磁偶合。如不利益理可在共摸電感與變壓器間加一遮蔽,以上幾項對開關電源的EMC效能影響較大。
輸出電容一般可採用兩隻一隻靠近整流管另一隻應靠近輸出端子,可影響電源輸出紋波指標,兩隻小容量電容並聯效果應優於用一隻大容量電容。發熱器件要和電解電容保持必然距離,以延伸整機壽命,電解電容是開關電源壽命的瓶勁,如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離,電解之間也須留出散熱空間,條件允許可將其放置在進風口。
控制部分要注意：高阻抗弱訊號電路串線要儘量短如抽樣反饋環路,在處理時要儘量避免其受干擾、電流抽樣訊號電路,出格是電流控制型電路,處理不好易出現一些想不到的意外。
下面談一談印製板佈線的一些原則
線間距：隨著印製線路板製造工藝的不斷完善和提高,一般加工廠製造出線間距等於甚至小於0.1mm已經不存在什麼問題,完全能夠滿足大大都應用場合。考慮到開關電源所採用的元器件及生產工藝,一般雙面板最小線間距設為0.3mm,單面板最小線間距設為0.5mm,焊盤與焊盤、焊盤與過孔或過孔與過孔,最小間距設為0.5mm,可避免在焊接操作過程中出現"橋接"現象。,這樣大大都制板廠都能夠很輕鬆滿足生產要求,並可以把成品率控制得很是高,亦可實現合理的佈線密度及有一個較經濟的成本。
最小線間距只適合訊號控制電路和電壓低於63V的低壓電路,當線間電壓大於該值時一般可按照500V/1mm經驗值取線間距。
鑑於有一些相關標準對線間距有較明確的規定,則要嚴格按照標準執行,如交流入口端至熔斷器端串線。某些電源對體積要求很高,如模組電源。一般變壓器輸入側線間距為1mm實踐證明是可行的。對交流輸入,(隔離)直流輸出的電源產品,比較嚴格的規定為安全間距要大於等於6mm,當然這由相關的標準及執行方法確定。一般安全間距可由反饋光耦兩側距離作為參考,原則大於等於這個距離。也可在光耦下面印製板上開槽,使爬電距離加大以滿足絕緣要求。一般開關電源交流輸入側走線或板上元件距非絕緣的外殼、散熱器間距要大於5mm,輸出側走線或器件距外殼或散熱器間距要大於2mm,或嚴格按照安全規範執行。
常用方法：上文提到的線路板開槽的方法適用於一些間距不敷的場合,順便提一下,該法也常用來作為保護放電間隙,常見於電視機顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模組電源中得到了廣泛的應用,在灌封的條件下可獲得大好的效果。
方法二：墊絕緣紙,可採用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣質料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊線上路板於金屬機殼間,這種質料有機械強度高,有有必然抗潮溼的能力。聚四氟乙烯定向膜由於具有耐高溫的特徵在模組電源中得到廣泛的應用。在元件和四周導體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電效能。
注意：某些器件絕緣被覆套不能用來作為絕緣介質而減小安全間距,如電解電容的外皮,在高溫條件下,該外皮可能受熱收縮。大電解防爆槽前端要留出空間,以確保電解電容在很是環境時能沒有阻礙礙地瀉壓.
下面是印製板銅皮走線的一些事項：
走線電流密度：現在大都電子線路採用絕緣板縛銅構成。常用線路板銅皮厚度為35μm,走線可按照1A/mm經驗值取電流密度值,具體計較可參見教科書。為保證走線機械強度原則線寬應大於或等於0.3mm(其他非電源線路板可能最小線寬會小一些)。銅皮厚度為70μm線路板也常見於開關電源,那麼電流密度可更高些。
補充一點,現常用線路板設計工具軟體一般都有設計規範項,如線寬、線間距,旱盤過孔尺寸等引數都可以進行設定。在設計線路板時,設計軟體可自動按照規範執行,可節省許很長時間間,減少部分工作量,降低出錯率。
一般對靠得住性要求比較高的線路或佈線線密度大可採用雙面板。其獨特的地方是成本適中,靠得住性高,能滿足大大都應用場合。
模組電源行列也有部分產品採用多層板,主要便於整合變壓器電感等功率器件,優化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好,變壓器散熱好的優點,但其缺點是成本較高,靈活性較差,僅適合於工業化大規模生產。
單面板,市場流通通用開關電源險些都採用了單面線路板,其具有低成本的優勢,在設計,及生產工藝上採取一些措施亦可確保其效能。
今天談談單面印製板設計的一些體會,由於單面板具有成本低廉,易於製造的獨特的地方,在開關電源線路中得到廣泛應用,由於其只有一面縛銅,器件的電器連線,機械固定都要依靠那層銅皮,在處理時必須小心。
為保證良好的焊接機械結構效能,單面板焊盤應稍微大一些,以確保銅皮和基板的良好縛著力,而不至於受到震動時銅皮剝離、斷脫。一般焊環寬度應大於0.3mm。焊盤孔直徑應略大於器件引腳直徑,但不宜過大,保證管腳與焊盤間由焊錫連線距離最短,盤孔大小以不妨礙正常查件為度,焊盤孔直徑一般大於管腳直徑0.1-0.2mm。多引腳器件為保證順利查件,也可更大一些。
電氣串線應儘量寬,原則寬度應大於焊盤直徑,特殊環境應在串線於與焊盤交匯必須將線加寬(俗稱生成淚滴),避免在某些條件線與焊盤斷裂。原則最小線寬應大於0.5mm。
單面板上元器件應緊貼線路板。需要架空散熱的器件,要在器件與線路板之間的管腳上加套管,可起到支撐器件和增加絕緣的兩重作用,要上限減少或避免外力打擊對焊盤與管腳連線處釀成的影響,增強焊接的安穩性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連線點,可加強與線路板間連線強度,如變壓器,功率器件散熱器。
單面板焊接面引腳在不影響與外殼間距的前題條件下,可留得長一些,其優點是可增加焊接部位的強度,加大焊接面積、有虛焊現象可即時發明。引腳長剪腿時,焊接部位受力較小。在臺灣、日本常採用把器件引腳在焊接面彎成與線路板成45度角,然後再焊接的工藝,的其道理同上。今天談一談雙面板設計中的一些事項,在一些要求比較高,或走線密度比較大的應用環境中採用雙面印製板,其效能及各方面指標要比單面板好很多。
雙面板焊盤由於孔已作金屬化處理強度較高,焊環可比單面板小一些,焊盤孔孔徑可比管腳直徑略微大一些,因為在焊接過程中有利於焊錫溶液通過焊孔滲透到頂層焊盤,以增加焊接靠得住性。可是有一個弊端,如果孔過大,波峰焊時在射流錫打擊下部分器件可能上浮,孕育發生一些缺陷。
大電流走線的處理,線寬可按照前帖處理,如寬度不敷,一般可採用在走線上鍍錫增加厚度進行解決,其方法有好多種。
1,將走線設定成焊盤屬性,這樣線上路板製造時該走線不會被阻焊藥覆蓋,熱風整平特殊情況被鍍上錫。
2,在佈線處放置焊盤,將該焊盤設定成需要走線的形狀,要注意把焊盤孔設定為零。
3,在阻焊層放置線,此方法最靈活,但不是所有線路板生產商都會明白你的意圖,需用文字說明。在阻焊層放置線的部位會不塗阻焊藥
線路鍍錫的幾種方法如上所述,要注意的是,如果很寬的的走線全部鍍上錫,在焊接以後,會粘接大量焊錫,並且分佈很不均勻,影響美觀。一般可採用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm,長度可根據線路來確定,鍍錫部分間隔0.5~1mm雙面線路板為佈局、走線供給了很大的選擇性,可使佈線更趨於合理。關於接地,功率地與訊號地必然要分開,兩個地可在濾波電容處匯合,以避免大脈衝電流通過訊號地串線而導致出現不穩定的意外因素,訊號控制迴路儘量採用一點接地法,有一個技巧,儘量把非接地的走線放置在同一佈線層,最後在另外一層鋪地線。輸出線一般先經過濾波電容處,再到負載,輸入線也必須先通過電容,再到變壓器,理論依據是讓紋波電流都通過旅濾波電容。
電壓反饋抽樣,為避免大電流通過走線的影響,反饋電壓的抽樣點必然要放在電源輸出最末梢,以提高整機負載效應指標。
走線從一個佈線層變到另外一個佈線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實現,因為在插裝器件時可能粉碎這種連線關係,還有在每一1A電流通過時,至少應有2個過孔,過孔孔徑原則要大於0.5mm,一般0.8mm可確保加工靠得住性。
器件散熱,在一些小功率電源中,線路板走線也可兼散熱功效,其獨特的地方是走線儘量寬大,以增加散熱面積,並不塗阻焊藥,有條件可均勻放置過孔,增強導熱效能。
下面是鋁基板在開關電源中的應用和多層印製板在開關電源電路中的應用
鋁基板由其本身構造,具有以下獨特的地方：導熱效能很是優良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器串線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。
鋁基板上一般都放置貼片器件,開關管,輸出整流管通過基板把熱量傳匯出去,熱阻很低,可取得較高靠得住性。變壓器採用最簡單的面貼片結構,也可通過基板散熱,其溫升比常規要低,一樣規格變壓器採用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以採用建橋的體式格局處理。鋁基板電源一般由由兩塊印製板組成,另外一塊板放置控制電路,兩塊板之間通過物理連接合成一體，心得體會《總結：開關電源設計心得》()。
由於鋁基板優良的導熱性,在小量手工焊接時比較困難,焊料冷卻過快,容易出現問題現存一個簡單實用的方法,將一個燙時裝的普通電熨斗(最好有調溫功效),翻過來,熨燙麵向上,固定好,溫度調到150℃擺佈,把鋁基板放在熨斗上面,加溫一段時間,然後按如常規方法將元件貼上並焊接,熨斗溫度以器件易於焊接為宜,太高可能時器件損壞,甚至鋁基板銅皮剝離,溫度過低焊接效果不好,要靈活掌握.
這段幾年,隨著多層線路板在開關電源電路中應用,要得印製線路變壓器成為可能,由於多層板,層間距較小,也可以充分利用變壓器窗戶截面,可在主線路板上再加一到兩片由多層板組成的印製線圈達到利用窗戶,降低線路電流密度的目的,由於採用印製線圈,減少了人工干預,變壓器一致性好,最簡單的面結構,漏感低,偶合好。開啟式磁芯,良好的散熱條件。由於其具有諸多的優勢,有利於多量量生產,所以得到廣泛的應用。但研製開發初期投入較大,不適合小規模生。
開關電源分為,隔離與非隔離兩種形式,在這搭主要談一談隔離式開關電源的拓撲形式,在下文中,非出格說明,均指隔離電源。隔離電源按照結構形式不同,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況,一般常規反激式電源單管多,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。按規格又可分為常規正激,包括單管正激,雙管正激。半橋、橋式電路都屬於正激電路。
正激和反激電路各有其獨特的地方,在設計電路的過程中為達到最優價效比,可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可採用單管正激電路,中等功率可採用雙管正激電路或半橋電路,低電壓時採用推輓電路,與半橋工作狀況相同。大功率輸出,一般採用橋式電路,低壓也可採用推輓電路。
反激式電源因其結構簡單,省掉了一個和變壓器體積大小差未幾的電感,而在中小功率電源中得到廣泛的應用。在有些先容中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦,輸出功率超過100瓦就沒有優勢,實現起來有難度。本人認為一般環境下是這樣的,但也不能一概而論,PI公司的TOP晶片就可做到300瓦,有文章先容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很是關鍵的引數,由於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衝電流打擊,而不至於鐵芯進入飽和非線形狀況,磁路中氣隙處於高磁阻狀況,在磁路中孕育發生漏磁遠大於完全閉合磁路。
變壓器首次極間的偶合,也是確定漏感的關鍵因素,要儘量使首次極線圈靠近,可採用三明治繞法,但這樣會使變壓器分佈電容增大。選用鐵芯儘量用窗戶比較長的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。
關於反激電源的佔空比,原則上軍用電源的最大佔空比應該小於0.5,否則環路不易補償,可能不穩定,但有一些例外,如美國PI公司推出的TOP系列晶片是可以工作在佔空比大於0.5的條件下。佔空比由變壓器原副邊匝數比確定,本人對做反激的觀念是,先確定反無線電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值),在必然電壓範圍內反無線電壓提高則工作佔空比增大,開關管損耗降低。反無線電壓降低則工作佔空比減小,開關管損耗增大。當然這也是有前提條件,當佔空比增大,則意味著輸出二極體導通時間縮短,為保持輸出穩定,更多的時辰將由輸出電容放電電流來保證,輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖洗,而使其發熱加劇,這在許多條件下是不允許的。佔空比增大,改變變壓器匝數比,會使變壓器漏感加大,使其群體效能變,當漏感能量大到必然程度,可充分抵消掉開關管大佔空帶來的低損耗,時就沒有再增大佔空比的意義了,甚至可能會因為漏感反峰值電壓過高而擊穿開關管。由於漏感大,可能使輸出紋波,及其他一些電磁指標變差。當佔空比鐘頭,開關管通過電流有效值高,變壓器低階電流有效值大,降低變換器效率,但可改善輸出電容的工作條件,降低發熱。如何確定變壓器反無線電壓(即佔空比)
有網友提到開關電源的反饋環路的引數設定,工作狀況分析。由於在上學時高算術的比較差,《自動控制原理》差一點就補考了,對這一門現在還感覺懼怕,到現在也不能完整寫出閉環系統傳遞函式,對系統零點、極點的概念感覺很模糊,看波德圖也只是大概看出是發散還是收斂,所以對反饋補償不敢胡言亂語,但有有一些建議。如果有一些算術功底,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,並結合實際的開關電源電路,按工作狀況進行分析。必然會有所收穫,論壇有一個帖子《拜師求學反饋環路設計、調式》其中CMG回答得大好,我覺得可以參考。
接著談關於反激電源的佔空比(本人關注反無線電壓,與佔空比一致),佔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,也許與當時生產工藝有關,高耐壓管子,不易製造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關特徵,像這種線路反無線電壓不能太高,否則為使開關管工作在安全範圍內,吸收電路損耗的功率也是至關可觀的。實踐證明600V管子反無線電壓不要大於100V,650V管子反無線電壓不要大於120V,把漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作餘量。現在由於MOS管制造工藝水平的提高,一般反激電源都採用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無線電壓也可以做得比較高一些,最大反無線電壓在150V比較合適,能夠獲得較好的綜合性能。PI公司的TOP晶片推薦為135V採用瞬變電壓抑制二極體鉗位。但他的評估板一般反無線電壓都要低於這個數值在110V擺佈。 這兩品型別各有優缺點：
熬頭類：缺點抗過壓能力弱,佔空比小,變壓器低階脈衝電流大。優點：變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關管損耗小,轉換效率沒必要然比第二類低。
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。優點：抗過壓能力強一些,佔空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些。
反激電源反無線電壓還有一個確定因素
軍用開關電源的反無線電壓還與一個引數有關,那就是輸出電壓,輸出電壓越低則變壓器匝數比越大,變壓器漏感越大,開關管承受電壓越高,可能擊穿開關管、吸收電路消耗功率越大,可能使吸收回路功率器件永世失效(出格是採用瞬變電壓抑制二極體的電路)。在設計低壓輸出小功率反激電源的優化過程中必須小心處理,其處理方法有幾個：
1、採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整率,一般常見於家用電器用開關電源,如光碟機、DVB機頂盒等。
2、如果條件不允許加大磁芯,只能降低反無線電壓,減小佔空比。降低反無線電壓可減小漏感但可能使電源轉換效率降低,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,儘量降低反峰電壓脈衝的寬度,和幅度,可增加變換器的工作安全裕度。一般反無線電壓在110V時比較合適。
3、增強耦合,降低損耗,採用新的技術,和繞線工藝,變壓器為滿足安全規範會在原邊和副邊間採取絕緣措施,如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感效能,實際生產中可採用低階繞組包繞次級的繞法。或者次級用三重絕緣線繞制,取消首次級間的絕緣物,可以增強耦合,甚至可採用寬銅皮繞制。
文中低壓輸出指小於或等於5V的輸出,像這一類小功率電源,本人的經驗是,功率輸出大於20W輸出可採用正激式,可獲得最佳價效比,當然這也不是決對的,與個人的習慣,應用的環境有關係,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況,所以磁路需要開氣隙,類似於脈動直流電感器。部分磁路通過空氣漏洞耦合。為什麼開氣隙的原理本人理解為：由於功率鐵氧體也具有近似於矩形的工作特徵曲線(磁滯回線),在工作特徵曲線上Y軸表示磁感應強度(B),現在的生產工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁力場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關係。磁路開氣隙至關於把磁體磁滯回線向X軸向傾側,在一樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則至關於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況。
反激電源的變壓器工作在單向磁化狀況,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很是小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機效能。氣隙過小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與斷續模式是指變壓器的工作狀況,在滿載狀況變壓器工作於能量完全傳遞,或不完全傳遞的工作模式。一般要根據工作環境進行設計,常規反激電源應該工作在連續模式,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,可是這也有一些例外。需要在這搭出格指出：由於反激電源的獨特的地方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模式,本人理解為由於高壓電源輸出需要採用高耐壓的整流二極體。由於製造工藝獨特的地方,高反壓二極體,反向恢復時間長,速度低,在電流連續狀況,二極體是在有正向偏流電壓時恢復,反向恢復時的能量損耗很是大,不利於變換器效能的提高,輕則降低轉換效率,整流管緊張發熱,重則甚至燒燬整流管。由於在斷續模式下,二極體是在零偏流電壓環境下反向偏置,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模式,並且工作頻率不能太高。還有一類反激式電源工作在臨界狀況,一般這類電源工作在調頻模式,或調頻調寬雙模式,一些低成本的自激電源(RCC)常採用這種形式,為保證輸出穩定,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與斷續之間,這種電源只適合於小功率輸出,否則電磁相容特徵的處理會很讓人頭痛
反激開關電源變壓器應工作在連續模式,那就要求比較大的繞組電感量,當然連續也是有必然程度的,過度追求絕對連續是不實際的,可能需要很大的磁芯,很是多的線圈匝數,同時伴隨著大的漏感和分佈電容,可能得不償失。那麼如何確定這個引數呢,通過多次實踐,及分析同行的設計,本人認為,在標稱電壓輸時髦,輸出達到50%~60%變壓器從斷續,過渡到連續狀況比較合適。或者在無上輸入電壓狀況時,滿載輸出時,變壓器能夠過渡到連續狀況就可以了。
