开关电源

<strong>引言</strong>

PCB Layout是开关电源研发过程中的极为重要的步骤和环节，关系到开关电源能否正常工作，生产是否顺利进行，使用是否安全等问题。

开关电源PCB Layout比起其它产品PCB Layout来说都要复杂和困难，要考虑的问题要多得多，归纳起来主要有以下几个方面的要求：

<strong>一、电路要求</strong>

1. PCB 中的元器件必须与BOM一致。
2. 线条走线必须符合原理图，利用网络联机可以轻做到这一点。
3. 线条宽度必须满足最大电流要求，不得小于1mm/1A，以保证线条温升不超过70℃。为了减少电压降有时还必须加宽宽度。
4. 为了减小电压降和损耗，视需要在线条上镀锡。

<strong>二、安规要求</strong>

1. 一次侧和二次侧电路要用隔离带隔开，隔离带清晰明确。靠隔离带的组件，在10N的推力作用下应保持电气距离要求。

2. 隔离带中线要用1mm的丝印虚线隔开,并在高压区标识DANGER / HIGH VOLTAGE。

3. 各电路间电气间隙(空间距离)：

噪音来源于PCB设计/电路振荡/磁元件三方面：电路振荡、PCB设计、磁元件。

<strong>1）电路振荡</strong>，电源输出有很大的低频稳波。多是电路稳定余度不够引起。理论上可以用系统控制理论中的频域法/时域法或劳斯判据做理论分析。现在；可以用计算机仿真方法方便的验证电路稳定性，以避免自激振荡发生，有多款软件可以用。对于已经做好的电路，可以增加输出滤波电容或电感/改变信号反馈位置/增加PI调节的积分电容/减少开环放大倍数等方法改善。

<strong>2）PCB设计</strong>
A）主要是EMI噪音引起，射频噪音调整PI调节器，使输出误差信号中包含扰动。主要查看高频电容是否离开关元件太远，是否有大的C形环绕布线等等...
B）控制电路的PCB线至少有两点以上和功率电路共用。PCB覆铜线并非理想导体，它总是可以等效成电感或电阻体，当功率电流流过了和控制回路共用的PCB线，在PCB上产生电压降落，控制电路各节点分散在不同位置时，功率电流引起的电压降对控制网络家入了扰动，使电路发出噪音。这显现多发生在功率地线上，注意单点接地可以改善。

通信开关电源技术在20世纪80年代引入我国，如今已广泛应用于通信领域。由于通信开关电源的性能直接影响着通信系统的可靠性，因此正确判别通信电源的优劣也就显得尤为重要。仅从电源的输入、输出特性指标来衡量开关电源的优劣，显然是不够的，还应该从下列几方面着手。

<strong>一、功率器件</strong>

随着高频开关电源技术的不断完善和日趋成熟，其在铁路信号供电系统中的应用也在迅速增加。与此同时，高频开关电源自身存在的电磁骚扰(EMI)问题如果处理不好，不仅容易对电网造成污染，直接影响其他用电设备的正常工作，而且传入空间也易形成电磁污染，由此产生了高频开关电源的电磁兼容(EMC)问题。

本文重点对铁路信号电源屏使用的1200W(24V/50A)高频开关电源模块所存在的电磁骚扰超标问题进行分析，并提出改进措施。高频开关电源产生的电磁骚扰可分为传导骚扰和辐射骚扰两大类。传导骚扰通过交流电源传播，频率低于30MHz;辐射骚扰通过空间传播，频率在30～1000MHz。

<font size="3"><strong>1、高频开关电源的电路结构</strong></font>

小功率电源被广泛地应用于电子电气行业，在应用的过程中也时常出现一些电源故障，如启机不良、输出电压偏低、模块过热等问题，针对这些电源供电故障现象，如何定位背后的问题？本文将一一为您揭晓。

目前，市场上电源模块种类繁多，不同电源产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同，其特点都是为微控制器、集成电路、数字信号处理器、模拟电路、及其他数字或模拟等负载供电。电源模块的可靠性比较高，但也可能会发生故障，下面以ZLG致远电子的DC-DC电源为例分析几种常见的电源故障。

<font size="3"><strong>输出电压偏低</strong></font>

电源输出电压过低，会让后级电路无法正常工作，如在微控制器系统中，负载突然增大，会拉低微控制器的供电电压，而造成微控制器复位，这会对整个系统级的电路带来毁灭性的打击，会造成一子落错全盘毁的连锁式反应。

输出电压过低通常是由那些原因造成的呢？

&nbsp; • &nbsp; 输出级并联多个负载，在正常工作后，有负载需要较大的瞬态电流，造成电压被瞬间拉低，从而影响其它并联的负载；

1、基本名词

常见的基本拓扑结构
■Buck降压
■Boost升压
■Buck-Boost降压-升压
■Flyback反激
■Forward正激
■Two-Transistor Forward双晶体管正激
■Push-Pull推挽
■Half Bridge半桥
■Full Bridge全桥
■SEPIC
■C’uk
基本的脉冲宽度调制波形
这些拓扑结构都与开关式电路有关。
基本的脉冲宽度调制波形定义如下：
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2018-09/wen_zhang_/100014397-49010-1.jpg&q…; alt="20种开关电源拓扑的优缺点对比！"></center>

开关电源已普遍运用在当前的各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地提高.高功率密度的定义从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高达数百瓦每立方英寸.由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。它们工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平将会影响开关电源的正常工作,严重时会损坏开关电源.为提高开关电源工作的可靠性,热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。

<strong>1.热设计中常用的几种方法</strong>

为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。

目前，许多大学及科研单位都进行了开关电源EMI(Electromagnetic Interference)的研究，他们中有些从EMI产生的机理出发，有些从EMI 产生的影响出发，都提出了许多实用有价值的方案。这里分析与比较了几种有效的方案，并为开关电源EMI 的抑制措施提出新的参考建议。

<strong>开关电源电磁干扰的产生机理</strong>

开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种，若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明：

1、二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。

2、开关管工作时产生的谐波干扰

功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。

<font color="#33b1c8"><strong>1、反复短路测试</strong></font>

<font color="#33b1c8">测试说明</font>
在各种输入和输出状态下将模块输出短路，模块应能实现保护或回缩，反复多次短路，故障排除后，模块应该能自动恢复正常运行。

<font color="#33b1c8">测试方法</font>
a、空载到短路：在输入电压全范围内，将模块从空载到短路，模块应能正常实现输出限流或回缩，短路排除后，模块应能恢复正常工作。让模块反复从空载到短路不断的工作，短路时间为1s，放开时间为1s，持续时间为2小时。这以后，短路放开，判断模块是否能够正常工作。

b、满载到短路：在输入电压全范围内，将模块从满载到短路，模块应能正常实现输出限流或回缩，短路排除后，模块应能恢复正常工作。让模块从满载到短路然后保持短路状态2小时。然后短路放开，判断模块是否能够正常工作。

1 引言

PWM 开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 PWM 的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流 、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统 ，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。现在主要有五种 PWM 反馈控制模式。下面以 VDMOS 开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例，说明五种PWM反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、详细电路原理示意图、波形、特点及应用要点，以利于选择应用及仿真建模研究。

2 开关电源 PWM 的五种反馈控制模式