淺談開關電源設計
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涂阻焊劑線路鍍錫的幾種方法如上。一般可采用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm,長度可根據(jù)線路來確定,鍍錫部分間隔0.5~1mm 雙面線路板為布局、走線提供了很大的選擇性,可使布線更趨于合理。關于接地,功率地與信號地一定要分開,兩個地可在濾波電容處匯合,以避免大脈沖電流通過 信號地連線而導致出現(xiàn)不穩(wěn)定的意外因素,信號控制回路盡量采用一點接地法。
電壓反饋取樣,為避免大電流通過走線的影響,反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢,以提高整機負載效應指標。
走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實現(xiàn),因為在插裝器件時有可能破壞這種連接關系,還有在每1A電流通過時,至少應有2個過孔,過孔孔徑原則要大于0.5mm,一般0.8mm可確保加工可靠性。
五、鋁基板在開關電源中的應用和多層印制板在開關電源電路中的應用
鋁基板(金屬基散熱板(包含鋁基板,銅基板,鐵基板))是一種獨特的金屬基覆銅板(結構見下圖),它具有良好的導熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能。鋁基覆銅板是一種金屬線路板材料、由銅箔、導熱絕緣層及金屬基板組成,它的結構分三層: Cireuitl.Layer線路層:相當于普通PCB的覆銅板,線路銅箔厚度loz至10oz。 DielcctricLayer絕緣層:絕緣層是一層低熱阻導熱絕緣材料。厚度為:0.003“至0.006”英寸是鋁基覆銅板的核心技術所在,已獲得UL認證。BaseLayer基層是金屬基板,一般是鋁或可所選擇銅。鋁基覆銅板和傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布層壓板等,目前市場上主流的是福斯萊特鋁基板。電路層(即銅箔)通常經過蝕刻形成印刷電路,使組件的各個部件相互連接,一般情況下,電路層要求具有很大的載流能力,從而應使用較厚的銅箔,厚度一般35μm~280μm;導熱絕緣層是鋁基板核心技術之所在,它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構成,熱阻小,粘彈性能優(yōu)良,具有抗熱老化的能力,能夠承受機械及熱應力。該公司生產的高性能鋁基板的導熱絕緣層正是使用了此種技術,使其具有極為優(yōu)良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構件,要求具有高導熱性,一般是鋁板,也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導熱性),適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機械加工。
鋁基板由其本身構造,具有以下特點:導熱性能非常優(yōu)良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連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導出去,熱阻很低,可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結構,也可通過基板散熱,其溫 升比常規(guī)要低,同樣規(guī)格變壓器采用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成,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。
由于鋁基板優(yōu)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(xiàn)問題現(xiàn)有一個簡單實用的方法,將一個燙衣服的普通電熨斗(最好有調溫功能), 翻過來,熨燙面向上,固定好,溫度調到150℃左右,把鋁基板放在熨斗上面,加溫一段時間,然后按照常規(guī)方法將元件貼上并焊接,熨斗溫度以器件易于焊接為 宜,太高有可能時器件損壞,甚至鋁基板銅皮剝離,溫度太低焊接效果不好,要靈活掌握。
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,平面結構,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,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。
反激式電源因其結構簡單,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),在一定電壓范圍內反射電壓提高則 工作占空比增大,開關管損耗降低。
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,吸收電路損耗的功率也是相當可觀的?,F(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。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。
六、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。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)實生產中可采用初級繞組包繞次級的繞法?;蛘叽渭売萌亟^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。
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。
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。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。
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。