大牛多年研发电源问题汇总（受益匪浅）

木犯001号

大牛多年研发电源问题汇总（受益匪浅） [复制链接]

问题一:我们小功率用到最多的反激电源，为什么我们常常选择65K或者100K（这些频率段附近）作为开关频率？有哪些原因制约了？或者哪些情况下我们可以增大开关频率？或者减小开关频率？


开关电源为什么常常选择65K或者100K左右范围作为开关频率，有的人会说IC厂家都是生产这样的IC，当然这也有原因。每个电源的开关频率会决定什么？


应该从这里去思考原因。还会有人说频率高了EMC不好过，一般来说是这样，但这不是必然，EMC与频率有关系，但不是必然。想象我们的电源开关频率提高了，直接带来的影响是什么?当然是MOS开关损耗增大，因为单位时间开关次数增多了。如果频率减小了会带来什么？开关损耗是减小了，但是我们的储能器件单周期提供的能量就要增多，势必需要的变压器磁性要更大，储能电感要更大了。选取在65K到100K左右就是一个比较合适的经验折中，电源就是在折中合理化折中进行。


假如在特殊情形下，输入电压比较低，开关损耗已经很小了，不在乎这点开关损耗吗，那我们就可以提高开关频率，起到减小磁性器件体积的目的。


本贴关键：如何选择合适IC的开关频率？主流IC的开关频率为什么是大概是这么一些范围？开关频率和什么有关，说的是普遍情况，不是想钻牛角尖好多IC还有什么不同的频率。更多的想发散大家思维去注意到这些问题！


我这里想说的普遍情况，主要想提的是开关频率和什么有关，如何去选择合适开关频率，为什么主流IC以及开关频率是这么多，注意不是一定，是普遍情况，让新手区理解一般行为，当然开关电源想怎么做都可以，要能合理使用。


1、你是如何知道一般选择65或者100KHZ,作为开关电源的开关频率的？（调研普遍的大厂家主流IC，这二个会比较多，当然也有一些在这附近，还有一些是可调的开关频率）


2、又是如何在工作中发现开关电源开关频率确实工作在65KHZ,或100KHZ的。（从设计角度考量，普遍电源使用这个范围）


3、有两张以上的测试65KHZ100KHZ频率的图片说明吗？（何止二张图片，毫无意义）


4、你是否知道开关电源可以工作在1.5HZ.（你觉得这样谈有必要，工作没有什么不可以，纯熟钻牛角尖，做技术切记钻牛角尖，那你能谈谈为什么普遍电源不工作在1.5HZ，说这个才有意义，你做出1.5HZ的电源纯属毫无意义的事情）


提醒：做技术人员切记钻牛角尖，咱们不是校园研究派，是需要将理论与实践现结合起来，做出来的产品才是有意义的产品！

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问题二：LLC中为什么我们常在二区设计开关频率？一区和三区为什么不可以？有哪些因素制约呢？或者如果选取一区和三区作为开关频率会有什么后果呢？

LLC的原理是利用感性负载随开关频率的增大而感抗增大，来进行调节输出电压的，也就是PFM调制。并且MOS管开通损耗ZVS比ZCS小，一区是容性负载区，自然不可取。那么三区，开关频率大于谐振频率，这个仍是感性负载区，按道理MOS实现ZVS没有问题，确实如此。但是我们不能忽略副边的输出二极管关断。也就是原边MOS管关断时，谐振电流并没有减小到和励磁电流相等，实现副边整流二极管软关断。这也是我们通常也不选择三区的原因。

我们不能只按前人的经验去设计，而要知道只所以这样设计是有其必然的道理的！

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问题三：当我们反激的占空比大于50%会带来什么？好的方面有哪些？不好的方面有哪些？


反激的占空比大于50%意味着什么，占空比影响哪些因素?第一:占空比设计过大，首先带来的是匝比增大，主MOS管的应力必然提高。一般反激选取600V或650V以下的MOS管，成本考虑。占空比过大势必承受不起。


第二点：很重要的是很多人知道，需要斜坡补偿，否则环路震荡。不过这也是有条件的，右平面零点的产生需要工作在CCM模式下，如果设计在DCM模式下也就不存在这一问题了。这也是小功率为什么设计在DCM模式下的其中一个原因。当然我们设计足够好的环路补偿也能克服这一问题。


当然在特殊情形下也需要将占空比设计在大于50%，单位周期内传递的能量增加，可以减小开关频率，达到提升效率的目的，如果反激为了效率做高，可以考虑这一方法。

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问题四：反激电源如果要做到一定的效率，需要从哪些方面着手？准谐振？同步整流？


反激的一大劣势就是效率问题，改善效率有哪些途径可以思考的呢？减小损耗是必然的，损耗的点有开关管，变压器，输出整流管，这是主要的三个部分。


开关管我们知道反激主要是PWM调制的硬开关居多，开关损耗是我们的一大难点，好在软开关的出现看到了希望。反激无法向LLC那样做到全谐振，那只能朝准谐振去发展（部分时间段谐振），这样的IC也有很多问世，我司用的较多是NCP1207，通过在MOS管关断后，下一次开通前1脚检测VCC电压过零后，然后在一个设定时间后开通下一周期。


变压器的损耗如何做到最小，完美使用的变压器后面问题会涉及到。


同步整流一般在输出大电流情况下，副边整流流二极管，哪怕用肖特基损耗依然会很大，这时候采用同步整流MOS替代肖特基二极管。有些人会说这样成本高不如用LLC，或者正激呢，当然没有最好的，只有更合适的。

木犯001号

问题五：电源的传导是怎么形成的？传导的途径有哪些？常用的手段？电源的辐射受哪些东西影响？怎么做大功率的EMC。


电源传导测量方式是通过接收输入端口L,N,PE来自电源内部的高频干扰（一般150K到30M）。


解决传导必须弄清楚通过哪些途径减弱端口接收到的干扰。






如图：一般有二种模式：L,N差模成分，以及通过PE地回路的共模成分。有些频率是差共模均有。


通过滤波的方式：一般采用二级共模搭配Y电容来滤去，选择的方式技巧也很重要，布板影响也很大。一般靠近端口放置低U电感，最好是镍锌材质，专门针对高频，绕线方式采用双线并绕，减少差模成分。后级一般放置感量较大，在4MH到10MH附近，只是经验值，具体需要与Y电容搭配。X电容滤差模也需要靠近端口，一般放在二级共模中间。放置Y电容，电容布板时走线需要加粗，不可外挂，否则效果很差。（这些只是输入滤波网络上做文章）


当然也可以从源头上下手，传导是辐射耦合到线路中的结果，减弱了开关辐射也能对传导带来好处。影响辐射的几处一般有MOS管开通速度，整流管导通关断，变压器，以及PFC电感等等。这些电路上的设计需要与其他方面折中不做详述。


一些经验技巧：针对大功率的EMC一般需要增加屏蔽，立竿见影，屏蔽的部位一般有几处选择：


第一：输入EMI电路与开关管间屏蔽，这对EMC有很大的作用，很多靠滤波器无效的采用该方法一般很有效果。


第二：变压器初次级屏蔽，一般设计变压器若有空间最好加上屏蔽。


第三：散热器的位置能很好充当屏蔽，合理布板利用，散热器接地选择也很重要。


第四：判断辐射源头位置，一般有几个简单的方法，不一定完全准确，可以参考，输入线套磁环若对EMC有好处，一般是原边MOS管，输出线套磁环若对EMC有效果，一般是副边输出整流管，尤其是大于100M的高频。可以考虑在输出加电容或者共模电感。


当然还有很多其他的细节技巧，尤其是布板环路方面的，后面对LAYOUT会单独讲解。

木犯001号

问题六：  我们选择拓扑时需要考虑哪些方面的因素？各种拓扑使用环境及优缺点？


设计电源的第一步不知道大家会想到什么呢?我是这么想，细致研究客户的技术指标要求，转换为电源的规格书，与客户沟通指标，不同的指标意味着设计难度和成本，也是对我提出的问题有很大的影响，选择拓扑时根据我们的电源指标结合成本来考虑的，哪常用的几种拓扑特点在哪呢 ？


这里主要谈隔离式，非隔离式应用有限，当然也是成本最低的。


反激特点：适用在小于150W，理论这么说，实际大于75W就很少用，不谈很特殊的情况。反激的有点成本低，调试容易（相对于半桥，全桥），主要是磁芯单向励磁，功率由局限性，效率也不高，主要是硬开关，漏感大等等原因。全电压范围（85V-264V）效率一般在80%以下，单电压达W LLC,效率可达96%以上（全电压）（当然PFC是采用无桥方式）。其它半桥我不推荐，至少我不会去用，比较老的不对称桥，很难做到软开关，LLC成熟以前用的多，现在很少用，至少艾默生等大公司都倾向于LLC，跟着主流走一般都不会错。


全桥：一般用在大于2KW以上，首推移相全桥，特点，双向励磁，MOS管应力小，比LLC应力小一半，大功率尤其输入电压较高时，一般用移相全桥，输入电压低用LLC。成本特别高，比LLC还多用2个MOS。这还不是首要的，主要是驱动复杂，一般的IC驱动能力都达不到，要将驱动放大，采用隔离变压器驱动，这里才是成本高的另一方面。


推挽：应用在大功率，尤其是输入电压低的大功率场合，特点电压应力高，当然电流应力小，大功率用全桥还是推挽一般看输入电压。变压器多一个绕组，管子应力要求高，当然常提到的磁偏磁也需要克服。这个我真没用过，没涉及电力电源，很难用到它的时候。到80%很容易。


正激特点：功率适中，可做中小功率，功率一般在200W以下，当然可以做很大功率，只是不常常这么做，原因是正激和反激一样单向励磁，做大功率磁芯体积要求大，当然采用2个变压器串并联的也有，注意只谈一般情形，不误导新人。正激有点，成本适中，当然比反激高，优点效率比反激高，尤其采用有源箝位做原边吸收，将漏感能量重新利用。


半桥：目前比较火的是LLC谐振半桥，中小功率，大功率通吃型。（一般大于100W小于3KW）。特点成本比反激正激高，因为多用了1个MOS管（双向励磁）和1个整流管，控制IC也贵，环路设计业复杂（一般采用运放，尤其还要做电流环）。优点:采用软开关，EMC好，效率极高，比正激高，我做过960W LLC,效率可达96%以上（全电压）（当然PFC是采用无桥方式）。其它半桥我不推荐，至少我不会去用，比较老的不对称桥，很难做到软开关，LLC成熟以前用的多，现在很少用，至少艾默生等大公司都倾向于LLC，跟着主流走一般都不会错。


全桥：一般用在大于2KW以上，首推移相全桥，特点，双向励磁，MOS管应力小，比LLC应力小一半，大功率尤其输入电压较高时，一般用移相全桥，输入电压低用LLC。成本特别高，比LLC还多用2个MOS。这还不是首要的，主要是驱动复杂，一般的IC驱动能力都达不到，要将驱动放大，采用隔离变压器驱动，这里才是成本高的另一方面。


推挽：应用在大功率，尤其是输入电压低的大功率场合，特点电压应力高，当然电流应力小，大功率用全桥还是推挽一般看输入电压。变压器多一个绕组，管子应力要求高，当然常提到的磁偏磁也需要克服。这个我真没用过，没涉及电力电源，很难用到它的时候。

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问题七：考虑电源成本时，我们要从哪里下手呢？


设计电源，成本评估必不可少，目前客户将电源的成本压得很低，各大竞争对手无不都在打价格战，大家都能做出电源来，就看谁做得更便宜，才能赢得订单，从哪些方面入手有利于我们陈本呢：


第一：技术指标。电源技术指标越高，成本越高，如果你的电源成本高了，那你可以打你的性能指标卖点，多了性能要求，电路增多了成本自然高。也是和客户谈话的资本。


第二：物料采购成本，为什么大公司电源利润高？无非是他们有着优越的采购平台，采购量大，物料成本低，当然成本更低。如果不考虑采购，作为工程师必须弄清楚不同物料对应的成本，比如能用贴片，少用插件，（比如插件电阻比贴片成本高），能用国产，不用台资，能用台资不用日系，这里的价格差异不菲。（比如日系电容比国产电容价格高几倍不止！！！当然质量也有差异；）


第三：影响成本的重要器件：变压器，电感，MOS管，电容，光耦，二极管及其他半导体器件，IC等。  不同的变压器厂家绕出来的变压器价格差异很大，MOS管应力，热阻选择够用就行，IC方案的成本等等


其它方面导致成本问题：器件散热器，大小合适，多了就是浪费钱。PCB布板，能用单面板用成双面板就是浪费钱，PCB布板工艺，选择合理的工艺加工成本低，生产效率高。

木犯001号

问题八：电源的环路设计，电源哪些部分影响电源的环路？好的环路有哪些指标决定？


电源的环路设计一直是一个难点，为什么这么说，因为主要影响的因素太多，理论计算很难做到准确，仿真也是基于理想化模型，在这里只谈关于环路设计的一些影响因素，从定性的角度去理解环路以及怎么去做环路补偿。


环路是基于输入输出波动时，需要通过反馈，环路相应告知控制IC去调节，维持输出的稳定。电源环路一般都是串联负反馈，有的是电压串联负反馈（CC模式下），有的是电流串联负反馈（CV模式下）。


那有哪些地方会影响环路呢？电路中的零点以及极点。零点一般会导致增益上升，引起90度相移（右半平面零点会引起-90度相移）。极点一般会导致增益下降，引起-90度相移，左半平面极点会引起系统震荡。所以我们需要借助零点极点补偿手段去合理调控我们的环路。对于低频部分，为了满足足够增益一般引入零点补偿，对于高频干扰一般引入极点补偿去抵消，减少高频干扰。


环路稳定的原则是：1.在穿越频率处（即增益为零dB时的频率），系统的相位余量大于45度。


2.在相位达到-180度时增益的余量大于-12dB.3.避免过快的进入穿越频率，在进入穿越频率附近的曲线斜率为-1.


针对一般反激电路：1.产生零点的有输出滤波电容 ：可以使环路增益上升。(一般在中频4K左右，对增益有好处，无需补偿）


2.若工作在CCM模式下还会产生右半平面零点。在高频段，可采用极点补偿。这个一般很难补偿，尽量避免，让穿越频率小于右半平面零点频率（15K左右，随负载变化会变化），选取3.负载会产生低频极点。采用低频零点去补偿。4.LC滤波器会产生低频极点，需要采用零点补偿。在心中要清楚哪些零极点是利是弊，针对性补偿。


补偿的电路，针对电源环路来说比较简单，一般采用对运放采用2型补偿，也有的会采用3型补偿很少用。

木犯001号

问题九：对各种拓扑的软开关形式有哪些？软开关是如何实现的？


软开关目前使用很频繁，一来可以提升次效率，二来可以利于EMC。很多拓扑都开始利用软开关了，就连反激如果为了做高效率也引入了准谐振来实现软开关，这个在前面问题已讲过。LLC的软开关在前面问题也提过实现条件，具体实现过程没有细讲。这里就分享下我对软开关的理解。


实现条件及过程：利用软开关需要二个元素，一个是C一个是L来实现谐振（当然也可以多谐振形式），谐振会产生正弦波，正弦波就能实现过零。如果是串联谐振属于电压谐振，并联谐振属于电流谐振。


其次软开关和硬开关的差异是：硬开关过程中电压电流有重叠，软开关要么电流为零（ZCS）要么电压为零（ZVS）。MOS管的软开关可以利用结电容或者并电容，然后串电感实现串联ZVS，例如准谐振反激，有源箝位吸收电路，移向全桥的软开关。也有LC并联ZCS，不过用的很少，因为MOS管ZVS的损耗小于ZCS。LLC属于串并联式，不过我们利用的是ZVS区。（在死区的时候谐振电流过零，上管软开通前，先给下管结电容充电,上管实现软开通）

木犯001号

问题十：什么样的变压器才算是最完美适用的？变压器决定了什么，影响了什么?


设计变压器是各种拓扑的核心点之一，变压器设计的好坏，影响电源的方方面面，有的无法工作，有的效率不高，有的EMC难做，有的温升高，有的极限情况会饱和，有的安规过不了，需要综合各方面的因素来设计变压器。


设计变压器从哪里入手呢？一般来说根据功率来选择磁芯大小，有经验的可参考自己设计过的，没经验的只能按照AP算法去算，当然还要留有一定的余量，最后实验去检验设计的好坏。


一般小功率反激推荐的用的比较多EE型，EF型，EI型，ER型，中大功率PQ的用的比较多，这里面也有每个人的习惯以及不同公司的平台差异，功率很大的，没有适合的磁芯，可以二个变压器原边串副边并的方式来做。


不同拓扑对变压器的要求也不一样，比如反激，需要考虑的是需要工作在什么模式下，感量如何调节适中。尤其是多路输出一定要注意负载调整率满足需求，耦合的效果要好，比如采用并绕，均匀绕制，以及副边匝数尽可能增多。MOS管耐压决定匝比，怎么选取合适的占空比，选取多大的Bmax(一般小于0.35，当然0.3更好，即时短路也不会饱和太严重）有的还需要增加屏蔽来整改EMC，原副边屏蔽一般加2层，外屏蔽1层就好。


大功率变压器一般更多的是关注损耗，需要铜损和磁损达到平衡，还要考虑到风冷自然冷，电流密度多大合适，功率稍大（大于150W）的一般电流密度相对取小些（3.5-4.5），功率小的（5.0-7.0）。


还要清楚电源过的什么安规，挡墙是不是足够，层间胶带是否设置合理也是不可以忽视的，一旦要做认证去改变压器也是影响进度的。

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