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發布時間:2021-08-29 15:02  





盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設計,但我們在此只關注直流到直流的轉換器,因為它的應用相當廣泛,幾乎每一位硬件工程師都會接觸到與它相關的工作,說不定什么時候就必須設計一個電源轉換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設計相關的兩種常見的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關的方案尺寸等。事實正是如此,延長開關時間的確對頻率高于f=1/πtr的諧波有很大影響。文中我們將使用一個簡單的轉換器做例子
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從公式2可以看出,減小開關節點的回路面積會有效降低電磁干擾水平。如果回路面積減小為原來的3倍,電磁干擾會降低9.5dB,如果減小為原來的10倍,則會降低20 dB。設計時,從化圖4和圖5所示的兩個回路節點的回路面積著手,細致考慮器件的布局問題,同時注意銅線連接問題。盡量避免同時使用PCB的兩面,因為通孔會使電感顯著,進而帶來其他問題。恰當放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前,我所在的公司曾把我們的產品設計轉讓給國外制造商。結果,我的工作職責也發生了很大變化,我成了一名顧問,幫助電源設計新手解決文中提到的一系列需要權衡的事宜及其他眾多問題。針對開關電源運行噪聲大這一缺點,若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉換電路技術,在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題,故仍需在這一領域開展大量的工作,以使得該項技術得以實用化。這里有一個含有集成鎮流器的離線式開關的設計例子:設計人員希望降低終功率級中的電磁干擾。我只是簡單地將高頻輸出電容器移動到更靠近輸出級的位置,其回路面積就大約只剩原來的一半,而電磁干擾就降低了約 6dB。而這位設計者顯然不太懂得其中的道理,他稱那個電容為“魔法帽子”,而事實上我們只是減小了開關節點的回路面積。
開關電源不同于線性電源,開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區)及全閉模式(截止區)之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節省能源,產生廢熱較少。理想上,開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區,本身也會消耗電能。期望大家在選購電源模塊時多一份細心,少一份浮躁,不要錯過細節疑問。開關電源的高轉換效率是其一大優點,而且因為開關電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。
開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET、變壓器。SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用,GTR驅動困難,開關頻率低,逐漸被IGBT和MOSFET。開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。開關電源由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化,因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體材料上加大科技,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關電源的輕、小、薄。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉換器,既可以從電源側向負載側傳輸功率,也可以從負載側向電源側傳輸功率。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行,實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術,并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標,美國的開關電源生產商通過降低運行電流,降低結溫等措施以減少器件的應力,使得產品的可靠性大大提高。