【干貨】非常經典的開關電源設計問題！

小融一號

問題一

我們小功率用到最多的反激電源，為什么我們常常選擇65K或者100K（這些頻率段附近）作為開關頻率？有哪些原因制約了？或者哪些情況下我們可以增大開關頻率？或者減小開關頻率？

開關電源為什么常常選擇65K或者100K左右范圍作為開關頻率，有的人會說IC廠家都是生產這樣的IC，當然這也有原因。每個電源的開關頻率會決定什么？

應該從這里去思考原因。還會有人說頻率高了EMC不好過，一般來說是這樣，但這不是必然，EMC與頻率有關系，但不是必然。想象我們的電源開關頻率提高了，直接帶來的影響是什么?當然是MOS開關損耗增大，因為單位時間開關次數增多了。如果頻率減小了會帶來什么？開關損耗是減小了，但是我們的儲能器件單周期提供的能量就要增多，勢必需要的變壓器磁性要更大，儲能電感要更大了。選取在65K到100K左右就是一個比較合適的經驗折中，電源就是在折中合理化折中進行。

假如在特殊情形下，輸入電壓比較低，開關損耗已經很小了，不在乎這點開關損耗嗎，那我們就可以提高開關頻率，起到減小磁性器件體積的目的。

本問關鍵：如何選擇合適IC的開關頻率？主流IC的開關頻率為什么是大概是這么一些范圍？開關頻率和什么有關，說的是普遍情況，不是想鉆牛角尖好多IC還有什么不同的頻率。更多的想發散大家思維去注意到這些問題！

我這里想說的普遍情況，主要想提的是開關頻率和什么有關，如何去選擇合適開關頻率，為什么主流IC以及開關頻率是這么多，注意不是一定，是普遍情況，讓新手區理解一般行為，當然開關電源想怎么做都可以，要能合理使用。

1、你是如何知道一般選擇65或者100KHZ,作為開關電源的開關頻率的？（調研普遍的大廠家主流IC，這二個會比較多，當然也有一些在這附近，還有一些是可調的開關頻率）

2、又是如何在工作中發現開關電源開關頻率確實工作在65KHZ,或100KHZ的。（從設計角度考量，普遍電源使用這個范圍）

3、有兩張以上的測試65KHZ100KHZ頻率的圖片說明嗎？（何止二張圖片，毫無意義）

4、你是否知道開關電源可以工作在1.5HZ.（你覺得這樣談有必要，工作沒有什么不可以，純熟鉆牛角尖，做技術切記鉆牛角尖，那你能談談為什么普遍電源不工作在1.5HZ，說這個才有意義，你做出1.5HZ的電源純屬毫無意義的事情）

提醒：做技術人員切記鉆牛角尖，咱們不是校園研究派，是需要將理論與實踐現結合起來，做出來的產品才是有意義的產品！

問題二

問題三

問題四

問題五

我們選擇拓撲時需要考慮哪些方面的因素？各種拓撲使用環境及優缺點？

設計電源的第一步不知道大家會想到什么呢?我是這么想，細致研究客戶的技術指標要求，轉換為電源的規格書，與客戶溝通指標，不同的指標意味著設計難度和成本，也是對我提出的問題有很大的影響，選擇拓撲時根據我們的電源指標結合成本來考慮的，哪常用的幾種拓撲特點在哪呢 ？

這里主要談隔離式，非隔離式應用有限，當然也是成本最低的。

反激特點：適用在小于150W，理論這么說，實際大于75W就很少用，不談很特殊的情況。反激的有點成本低，調試容易（相對于半橋，全橋），主要是磁芯單向勵磁，功率由局限性，效率也不高，主要是硬開關，漏感大等等原因。全電壓范圍（85V-264V）效率一般在80%以下，單電壓達到80%很容易。

正激特點：功率適中，可做中小功率，功率一般在200W以下，當然可以做很大功率，只是不常常這么做，原因是正激和反激一樣單向勵磁，做大功率磁芯體積要求大，當然采用2個變壓器串并聯的也有，注意只談一般情形，不誤導新人。正激有點，成本適中，當然比反激高，優點效率比反激高，尤其采用有源箝位做原邊吸收，將漏感能量重新利用。

半橋：目前比較火的是LLC諧振半橋，中小功率，大功率通吃型。（一般大于100W小于3KW）。特點成本比反激正激高，因為多用了1個MOS管（雙向勵磁）和1個整流管，控制IC也貴，環路設計業復雜（一般采用運放，尤其還要做電流環）。優點:采用軟開關，EMC好，效率極高，比正激高，我做過960W LLC,效率可達96%以上（全電壓）（當然PFC是采用無橋方式）。其它半橋我不推薦，至少我不會去用，比較老的不對稱橋，很難做到軟開關，LLC成熟以前用的多，現在很少用，至少艾默生等大公司都傾向于LLC，跟著主流走一般都不會錯。

全橋：一般用在大于2KW以上，首推移相全橋，特點，雙向勵磁，MOS管應力小，比LLC應力小一半，大功率尤其輸入電壓較高時，一般用移相全橋，輸入電壓低用LLC。成本特別高，比LLC還多用2個MOS。這還不是首要的，主要是驅動復雜，一般的IC驅動能力都達不到，要將驅動放大，采用隔離變壓器驅動，這里才是成本高的另一方面。

推挽：應用在大功率，尤其是輸入電壓低的大功率場合，特點電壓應力高，當然電流應力小，大功率用全橋還是推挽一般看輸入電壓。變壓器多一個繞組，管子應力要求高，當然常提到的磁偏磁也需要克服。這個我真沒用過，沒涉及電力電源，很難用到它的時候。

問題六

問題七

電源的環路設計，電源哪些部分影響電源的環路？好的環路有哪些指標決定？

電源的環路設計一直是一個難點，為什么這么說，因為主要影響的因素太多，理論計算很難做到準確，仿真也是基于理想化模型，在這里只談關于環路設計的一些影響因素，從定性的角度去理解環路以及怎么去做環路補償。

環路是基于輸入輸出波動時，需要通過反饋，環路相應告知控制IC去調節，維持輸出的穩定。電源環路一般都是串聯負反饋，有的是電壓串聯負反饋（CC模式下），有的是電流串聯負反饋（CV模式下）。

那有哪些地方會影響環路呢？電路中的零點以及極點。零點一般會導致增益上升，引起90度相移（右半平面零點會引起-90度相移）。極點一般會導致增益下降，引起-90度相移，左半平面極點會引起系統震蕩。所以我們需要借助零點極點補償手段去合理調控我們的環路。對于低頻部分，為了滿足足夠增益一般引入零點補償，對于高頻干擾一般引入極點補償去抵消，減少高頻干擾。

環路穩定的原則是：1.在穿越頻率處（即增益為零dB時的頻率），系統的相位余量大于45度。

2.在相位達到-180度時增益的余量大于-12dB.3.避免過快的進入穿越頻率，在進入穿越頻率附近的曲線斜率為-1.

針對一般反激電路：

1.產生零點的有輸出濾波電容 ：可以使環路增益上升。(一般在中頻4K左右，對增益有好處，無需補償）

2.若工作在CCM模式下還會產生右半平面零點。在高頻段，可采用極點補償。這個一般很難補償，盡量避免，讓穿越頻率小于右半平面零點頻率（15K左右，隨負載變化會變化），選取。

3.負載會產生低頻極點。采用低頻零點去補償。

4.LC濾波器會產生低頻極點，需要采用零點補償。在心中要清楚哪些零極點是利是弊，針對性補償。

補償的電路，針對電源環路來說比較簡單，一般采用對運放采用2型補償，也有的會采用3型補償很少用。

問題八

問題九

問題十

問題十一

評判一塊電源板LAYOUT好壞有哪些地方能一陣見血發現？

什么樣的PCB是一塊好的PCB，至少要滿足以下一個方面：1.電性能方面干擾小，關鍵信號線及底線走的合理，各方面性能穩定（前提是電路無缺陷）。2.利于EMC，輻射低，環路走的合理。3.滿足安規，安規距離滿足要求。4.滿足工藝，量產可生產性，以及減小生產成本。5.美觀，布局規則有序（器件不東倒西歪），走線漂亮美觀，不七彎八繞的。

如何才能做到以上幾點，分享我的布板經驗：

1.布局前，了解清楚電源的規格書，電源的規格，有無特殊要求，以及要過的安規標準。結構輸入條件是不是準確，以及風道的確認，輸入輸出端口的確認，以及主功率流向。

工藝路線選取，根據器件的密度，以及有無特殊器件，選擇相對應工藝路線。

2.布局中，注意合理的布局，保證四大環路盡可能小，提前預判后續走線是否好走。變壓器的擺放基本決定了整體的布局，一定要慎重，放到最佳位置。EMI部分的布局流向清晰，與其它主功率部分有清晰的隔離帶。減少受到主功率開關器件的干擾。各吸收回路的面積盡可能小，散熱器的長度以及位置要合理，不擋風道。

3.走線部分，輸入EMI電路的走線是否滿足安規，原副邊距離，輸入輸出對大地的距離都要滿足安規。走線的粗細是否滿足足夠的電流大小，關鍵信號（例如驅動信號，采樣信號，地線是否合理），驅動信號不要干擾敏感信號（高頻信號）；采樣信號是否采樣準確，是否會受到干擾；地線是否拉得合理（有時需要單點接地，有時需要多點接地跟實際需要有關），主功率地和信號地嚴格區分開，原邊芯片地從采樣電阻取，不要從大電解取（尤其是采樣電阻和大電解地距離遠時），VCC的地前級地回大電解，二級電容地接芯片，反饋信號也單點接IC，地單點接IC。散熱器的地必須接主功率地，不能接信號地等等很多的細節要求。

問題十二

電源的元器件你懂多少？MOS管結電容多大，對哪些有影響？RDS跟溫度是什么關系？肖特基反向恢復電流影響什么？電容的ESR會帶來哪些影響？

電源中的設計的器件類型很多，主要有半導體器件如：MOS管，三極管，IC，運放，二極管，光耦等；磁**件：電感，變壓器，磁珠等；電容：Y電容，X電容，瓷片電容，電解電容，貼片電容等；每種器件都有其規格，極限參數。

常規的參數在我們選型很容易把握，例如選取MOS管，耐壓參數肯定會考慮，額定電流也會考慮，導通電阻我們會考慮，但還有一些寄生參數以及一些隨溫度變化特性的參數卻很少去注意，或者只有在發現問題的時候才會去找。導通電阻Rds(on)隨溫度升高其阻值是變大的，設計MOS管損耗時要考慮到其工作的環境溫度。結電容影響到我們的開通損耗，也會影響到EMC。

肖特基二極管耐壓，額定電流一般很好注意，有些參數例如導通壓降在溫度升高時會減小，反向恢復時間短，不過漏電流大（尤其是考慮到高溫時漏電流影響就更大了），寄生電感會引起關斷尖峰很高

電容一個重要參數ESR，在計算紋波時通常會考慮，ESR一般與C的關聯是很大的，不過不同廠家的品質因素影響也是很巨大，一定要具體分清楚。

一般估算公司可參考：ESR=10/（C的0.73次方），電容在高溫時壽命會縮短，低溫時容量會減小，漏電流也會增加等等；

當然器件在特殊情形表現出來的特性差異是值得我們思考的問題，請大家多多思量，對于我們解決特殊情況下的問題非常有幫助。

問題十三

問題十四

問題十五

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