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随着LED灯作为车灯应用的越来越普及，设计上的灵活性、可维护性等相应的需求也日益高涨，插座型LED灯也就应运而生了。……
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嵌入式有必要学习RTOS吗，RT-Thread是否更适合你？
通过观察近年来招聘网站的招聘信息，嵌入式工程师的要求中总会多出一条“掌握至少1-2种RTOS”，网友头上也经常“有许多问号”表示，到底有没有必要学RTOS？ ……
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疫情下，10倍增长的半导体物流成本，“中国芯”之路该怎么走？
“中国芯”之路上，半导体物流环节不容轻视，哪种物流才是国产半导体发展所需的？……
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专为新手准备的电源设计资料【包括制作实例、基础理论、书籍】
电源不是你想学，想学就能学，不多花点时间不下点苦功夫是不行的，对于刚入门的新手来说，多学点理论、看点实例必不可少，下面是我花了很长时间筛选的一些电源有关的制作实例、理论合集，供新手参考。很棒的创意——一勺水可产生10小时手机电量的充电器这个小容器占据整个设备外壳的一半体积，另一半体积则是水槽，你可以在里面灌水。当灌完水之后，你只要盖上盖子，化学反应便会自动开始，你就可以充电啦！这一化学反应过程是安全而环保的，唯一产生的副产品是水蒸气。这种新型设备可以用作便携式充电器，但也可以直接用作电源，接上手电筒或者台灯就可以使用。简单实用的逆变电源制作，附电路图、计算方法 这是一种性能优良的家用逆变电源电路图，材料易取，输出功率150W。本电路设计频率为300Hz左右，目的是缩小逆变变压器的体积、重量。输出波形方波。这款逆变电源可以用在停电时家庭照明，电子镇流器的日光灯，开关电源的家用电器等其他方面。电源设计精彩问答,附电路图详细讲解包括对电源的详细介绍以及电源设计经典100问，对新手来说，这是一份不可多得的好资料。无线鼠标1.5V干电池改成3.7V锂电池供电老板送了个无线鼠标，满心欢喜，可是，这鼠标太耗电了，鼠标自带超时节能功能，但是，如果忘记关掉开关，普通干电池，只能工作三天。好一点的南孚电池，也就是半个月吧。终于，下决定研究研究，1.5V供电，改成3.7V。结果更改成功。USB充电。估计半月充一次吧。5V 1A/2A/3A 高效开关电源制作原理图、PCB采用内部集成电感、电容的高效高密度集成电源管理芯片LMZ1200X，可选1A、2A、3A输出，满载效率可达90%以上，纹波水平小于25mv。5V 3.42A车载充电器资料（PCB+原理图+材料清单）该车载充电器输入电压12-36V，输出5V,3.42A，带两个USB接口，输出短路保护、过流保护，充电器体积小方便携带，制作成本也低，非常适合个人DIY。开关电源电路设计的十二秘笈（附电路图）随着现在对更高效、更低成本开关电源设计方案需求的强调，本文就各种电源管理课题提出一些对您有帮助的小技巧。无论您是从事电源业务多年还是刚刚步入电源领域，您都可以在这里找到一些极其有用的信息，以帮助您迎接下一个设计挑战。设计制作200W开关电源全过程，含电路图、公式分析、曲线分析、及焊接完成的成品图 本文讲述了一个基於FAN4800 连续PFC 前端的双管正激电源的功率级设计。回顾了这种电源的设计选择。讨论的实际课题包括功率器件选型，电磁设计，布局和电磁干扰(EMI)，目的在於帮助工程师加速并改善其设计。用LM723 制作的稳压电源,附电路图、成品图及详细说明这是在网上看到的用LM723 制作的稳压电源，感觉非常的好！拿出来与大家分享，希望大家会喜欢！有空的话也做一个！超全电源设计综合知识!!!!!概念细节大汇总!!!!能源是人类生存和发展的必要条件，而在能源家族中，电能源又是社会及人类发展的标志。第一章主要介绍人们普遍运用和熟悉的简单电源：干电池、蓄电油及微型电池的原理、使用及维护。开关电源设计制作大全(25份文件打包上传)~绝对精华【经典书籍】10本开关电源设计书籍（合集）--每本都是经典更多关于电源的技术资讯，欢迎访问 与非网电源技术专区
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开关电源设计软件PI Expert 学习笔记
社区搞活动，也借机会学习一下电源的设计工具PI Expert ，先下了软件,默认是英文版的，不过汉化很容易，在菜单设置里改成中文菜单就行了，很方便。下面的图都是汉化这后的结果。上图是新建设计后出现的第一个窗口，从内容看是专为PI产品而开发的,包含所有PI产品的系列和产品选单，点选相应的产品就可能进行设计了，可能由于后面的设计文件里有PCB布局的内容，所以在这里有封闭形式和外壳形式的选择。根据实际应用选完后点下一个按钮这个汉化的就有点那个了。建议改进一下。PI Expert 这款软件的分类很详细，可根据实际情况选择输入电源。如果不是通用可点用户自定义设计输入电压范围。此图是对输出电源的设置,点添加可把电源设计成单路或多路输出，三个参数选两个，第三项自动计算得出。这里设计一个DC5V3A的电源输出,容差是默认的，如果不满意自己调整，这个功能在其他的设计工具里不大多见。觉得软件设计的还是蛮精细的。关于起始项的选择,好象不是很重要，只是在设计完成时最先显示的内容。这个图没有动,都是默认的值。说明的文字不详细不大好理解,应该是变压器的一些设置根据选择的参数对方案进行筛选， 给出下图中推荐方案的数量和内容。会给出多个方案代参考，选择一个需要的,通常第一个是较优的选择，点打开,软件开始进行设计，结束后会给出设计文件。另外汉化的不太彻底，表头都是英文。最后给出的电路原理图，应该说电路原理是很规范的,和实际的设计方案相差不大，此前曾对以前一款电源进行了对比，与最终设计相差不大，元器件取值也较准确.精密电阻和普通电阻的选择都有区分。变压器电特性及绕制结构都有详细说明，这个在其他软件里不大多见。很强大。最后的设计方案文件，bom，PCB参考设计。原理图,及变压器的设计文件，PCB布板下方有不少说明，可以减少调整布板时出现的麻烦，因为电源的尺寸是需要根据实际应用情况进行改变的,这个很有用。与作者gaon2对话可访问:PI Expert 学习笔记
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UC3842的多输出开关电源设计
UC3842的多输出开关电源由30kW开关磁阻电机控制器设计，电机功率变换器的主电路为不对称半桥电路。采用反激变换器结构，具有结构简单、损耗小的优点，但输出电压纹波较大，通常适用与150W以下的电源。具体电路如图1所示。此电源为单芯片集成稳压电源，PWM芯片采用UC3842。UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，是专为脱线式直流变换电路设计的，其内部结构如图2所示。集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路。可以实现逐个脉冲的电流限制，输出电流可达1A，可直接驱动MOSFET。工作原理此电源电路工作原理为：220V三相的交流输入电压先经三相不控整流，再经支撑电容平滑，为电源电路提供550 V直流工作电压。当三相逆变器接通电源时，R5和C2吸收电路启动时的冲击电流。从逆变器主电路来的直流母线电压经电阻R6降压后，给UC3842提供约16V的起动电压。进入正常工作后，二次绕组W3经D3，C16提供UC3842的工作电压。另一绕组W2的高频电压经D2，C13整流滤波，再经7.5kΩ电阻R12，R13和2kΩ电位器RP1分压，获得输出电压信号。此信号经可调稳压管TL431产生偏差信号，再经光电隔离加到UC3842的误差放大器放大，控制VMOS管的开通与截止，实现稳压的目的。电源的过流保护由1.8Ω电阻R19检测到VMOS管的过流信号，电流超过域值时封锁UC3842输出信号，实现单周期过流保护。UC3842驱动VMOS管VT1以控制高频变压器一次绕组通断，进而获得多组副边电压输出。此输出经二极管整流、电容滤波后得到多路直流电压。供给三相逆变器各功率开关元件驱动(W6，W7，W8，W9)与PWM控制电路(W2，W4，W5)。电路稳定工作时UC3842的电源由W3，D3，C16组成的电源电路提供。VMOS管选用耐压1000V，电流8A的场效应管8N100。为了保证开关元件在快速开关过程中不产生过大的尖峰电压，需用C8，R15，D1组成的RCD缓冲电路来抑制。缓冲电路二极管V3选用快速恢复二极管FR107。R8、R9和稳压管D11用来限制栅极电压和电流，进而限制VMOS管开关速度，有利于改善电磁兼容性。+15V电源和-15V电源对控制电路电源精度要求较高，但因为共用同一个变压器很难通过PWM实现反馈控制来稳压。为获得高品质的控制电源，应用线性稳压芯片7815和7915(如图1所示)构成了复合式开关稳压电源。为防止输出在轻载或空载时的电压升高，在5V整流输出端并联一个100Ω的负载电阻。变压器设计电机控制逆变器开关电源是一个具有多路输出的直流电源。由高频变压器8个副边绕组经整流滤波后获得。开关电源的性能在很大程度上决定于变压器的设计。功率计算高频变压器的副边绕组W6，W7，W8提供了三相逆变器3个上桥臂元件的驱动电源，W9提供了下桥臂3个元件的驱动电源(亦可用3个绕组分别提供，以避免交叉干扰，此处只用一组是为了简化系统)。按逆变器开关元件对驱动电路电压、电流的要求确定功率。本电机控制功率变换器功率模块为IGBT，驱动模块为EXB841。选定W2，W3，W4电压20V，电流100mA;W5电压20V，电流200mA。W6，W7绕组提供其他模拟电路±15V，300mA电源。W8绕组提供5V给微处理器，输出电流为2A。W2为开关电源自身的反馈绕组，其功率很小，可忽略。由以上设定条件可知高频变压器的输出功率为：设计效率为85%并留有一定裕量，设计目标为额定功率为40W的高频变压器。磁心的选用给出的高频变压器最大承受功率与磁心截面积的关系并考虑窗口面积，本开关电源选用EI-35磁心，其有效截面积为100mm2。绕组匝数的确定首先确定开关电源功率和开关元件的工作频率。若工作频率小于20kHz，则进入音频范围的噪声较大，纹波增大。若开关频率较高，则开关损耗增大，系统效率降低。因此确定工作频率时要折衷考虑，实际选择工作频率为30kHz。气隙与正激开关电源变压器不同，此反击电源变压器兼有储能的作用，流过直流电流成分时容易饱和。所以要使用带有气隙的磁芯。原理如图3所示。有气隙时，由于B-H特性曲线斜率减小。在Hdc不变的情况下Bdc减小，磁滞回环远离饱和区。另外，有气隙时剩余磁感应强度Br减小，ΔBac变化范围增大。另外又由于有气隙时B-H特性曲线向H轴靠拢，在ΔBac，Bdc不变的情况下ΔHac，Hdc增大。由上可知，适当增加气隙可以增强电路的电流输出能力和抗干扰能力。经过试验气隙大小为0.3mm时较为合适。实验与结论此开关电源5V时输出的纹波如图4所示，峰值为15mV，纹波≤0.3%。该电源作为30kW开关磁阻电机控制器电源，在胜利油田已启用，实际应用中工作质量可靠。
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研发前线工程师开关电源设计感悟！
回想自己刚开始做电源学习阶段，Buck、Boost、Flyback、半桥、移相全桥、LLC一大堆。 从迷茫，艰难中，一步步走出来。 现在都从一线研发退出了，回想自己起步阶段的艰难：各种资料，各种教程，铺天盖地，看不完，似懂非懂。 现在都老油条了，自己也算是一个比较勤奋的人，做了五年了，各种拓扑，各种功率，基本上玩过一遍了。 技术放下太久，就会生疏，为了不要浪费掉自己辛勤学习积累的东西，更为了新手能够快速找到学习的路子，快速入门，真的迈进开关电源这个世界，我准备开帖写教程，现在常用的拓扑一个一个写，用最简单，通俗的语言，用工程实践检验过的最可靠的理论。 科学都是可以理解的，一点不玄幻的，咱不是中医，不搞博大精深。 希望大家多多支持，同时欢迎各位前辈高手来拍砖。 先说说做开关电源需要具备的理论基础：我们做电源的工程师，分两类，一类是搞研究的，一类是搞工程的。 所谓搞研究的，就是研究各种新的技术、新材料、新工艺、新的拓扑结构等等。这些人需要很高的理论底子，当然必须是高学历，数学、电磁学、电子学、自动控制等等，各种专业，各种牛逼。 还有一种就是我们最常见的电源工程师，就是在公司开发部做项目的电子工程师。 本文面对的是第二类的，也就是面对应用阶层的电源设计工程师。 必须加一句，像 陶显芳老师 赵修科老师 这一类的妖怪级别的大师写的书，新手完全没必要使劲啃的，很费时费力。大可囫囵吞枣看一下，能懂多少是多少。然后在慢慢成长的过程中，回头再看，就会有很大的收获。 我们是做工程的，他们搞理论基础的。大师写的书，一下子完全看懂，不大可能。那些书很多方面写得很详细，有完整的理论推导，包括的也非常全面。但是我还是奉劝新手不要在数学公式里面纠结。 那些书完全可以作为技术手册来使用。做技术都有一个成长的过程，到了一定的程度，那些书就很有用处了。 我们应用类的工程师需要必须具备的理论基础有：模拟电子技术基础。先说模拟电子技术的学习深度问题。刚毕业，一般都不可能把模电学好，谁要是真的觉得自己刚毕业就很牛逼，那就有两种可能，要么自己自高自大，不知天高地厚;要么就是跟导师真正实际做过项目，并且勤奋学习理论的人。对于我们做电源的工程师来说，模电必须懂的东西我列举一下： 1 电阻。电阻是各种电子电路里面最基础的原件，电阻在开关电源里面的应用主要有各种控制返回电路的分压网络，然后就是吸收回路里面的功率耗散。我们设计中必须关注的有电阻的封装，功耗，耐压，精度。 2 三极管。三极管在开关电源中有两类用途：第一，做开关管。开关电源的开关管现在主要有Mos管，三极管，IGBT。第二：做信号处理。三极管在开关电源的控制电路里面，用的最多的也就是做个保护电路里面简单的小信号开关，然后就是做线性稳压电源(主电路里面的辅助电源)。 需要懂什么呢，刚开始，知道三极管怎么打开，怎么关闭就OK了。然后知道什么是线性工作状态，什么是开关状态。书上那些乱七八糟的计算，先放下来，平时基本用不上，用到了，再去查，很快就看懂了。千万不要一头钻进理论里面去，浪费时间，浪费精力，用到的时候，第一参考元器件规格书，第二请教别人，然后再回头看书。 3 二极管。正向导通，反向截止。知道什么是二极管结电容，二极管的关断时间，反向耐压，正向导通电压，正向持续电流，脉冲电流这些概念就OK了，基本够用了。工作中遇到问题，然后再回头看书。 4 运算放大器。 这个东西在电源设计里面，真的很重要。学校里面老师讲的虚短虚断，必须懂，这个不能打折扣，反馈放大器，电流放大器，各种放大器的设计计算，它都是基础。至于频率特性，相位特性，有能力的当然也要学习，也是很有用处的，别的暂且放下不管，不要死扣理论。 5 比较器。在开关电源里面主要用来做快速保护电路，当然运算放大器也可以用来做保护，但是，特别是过流保护，运算放大器就不行，反映时间太长了;然后就是频率发生器，PWM比较器，滞回比较器等。比较器和运放相比，还是简单一些的。 然后电工电子技术必须掌握的东西： 1 单相交流电。 2 单相交流电整流。 3 三相交流电。 4 三相交流电整流。 5 电容。电容的分类：电解电容，最常用的整流滤波电容。电解电容分极性，极性接反了，电容发生化学反应，就短路炸掉了。电解电容的主要参数：耐压，容值，等效电阻(esr)，工作温度，使用寿命，外观尺寸。瓷片电容，金属膜电容，这些电容不分极性，ESR小，一般做高频旁路用的，因为电解电容ESR比较大，通常在电解电容旁边并联ESR小的高频电容。Y电容，各种标准需要的。(自己百度)。关于电容，在分析电路时候，有一条最重要的我必须强调：电容充电，电流必须由电源正极，通过电容，流向电源负极;电容放电：电流必须由电容正端，通过外部回路，回到电容负端。 5 电感。开关电源里面电杆就分两大类，一类是储能用的，一类是做滤波器用的，就这两类。 6 变压器，开关电源里面的变压器指的就是变压器，跟工频变压器的工作原理一样。(Flyback，LLC变压器，这个严格意义上，不是变压器，这俩是耦合电感)。 7 磁芯。必须知道的由：什么是磁芯截面积Ae,什么是窗口面积Aw，什么是B-H曲线，这个必须懂的。 8 铜线。必须知道什么是穿透深度，什么是电流密度。为什么要用三层绝缘线，为什么要打挡墙。 上面的基本应该差不多了，有遗漏的请各位大神拍砖，欢迎补上，不要误人子弟。 假如一个刚入行的电源工程师，可以完全搞明白上面列举的一些基本概念，那你完全就可以做一个合格的助工了，欢迎加入电源行业。 我想强调的是，我们是搞工程的，不是搞理论的，最有效的学习就是在工作中发现问题，在学习和实验中解决问题。纯粹的死扣理论和纯粹的试来试去都是不可取的。
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开关电源设计—变压器流程
本系列文章从理论基础开始，由经验丰富的前工程师为大家讲解关于开关电源的设计，并对其中难点进行讲解，这个系列当中几乎包含了所有的常见拓扑电路，并且为采用自学方式的工程师量身打造，希望能够帮助大家走出迷茫，尽快迈上正轨。 计算初级电感量 K值就是上面说的电流连续比上面计算书定义的Ip2是电流上升前沿Ip1是电流上升后沿。所以当K=0的时候变压器是工作在临界模式以下的为防止计算出错一般习惯取0.001. 断续模式Ip就是ΔI； 得到了ΔI由--》E*T=L*ΔI得： Lp=(Vinmin*Tonmax)/ΔI 这时候就得到了变压器初级所需要的电感量。 选择合适的磁芯计算匝数 关于磁芯的选择网上有关于Ap法的很多计算公式。其实在做项目的时候根本没用过一次Ap法。对于公司已有的相同功率等级的型号，可以直接参照别的型号的磁芯作为初始设计出发点。 要是线绕不下，就抬高工作频率，骨架太空了，就选小一号的，一般经过几次迭代或者实验就出来了。对于完全全新的型号，是根据经验估算一个初始点，然后经过反复迭代得出结果的。其实对于一般的功率等级，向反激式这种拓扑，多大功率用多大磁芯，经验丰富一点的工程师都知道，可以向他们请教。 选定了磁芯后，根据规格书得到对应的Ae值，然后就可以进行匝数计算。 由E*T=Lp*ΔI=Np*Ae*ΔB 对于断续模式ΔB=Bmax, 对于连续模式 ΔB=Bmax*(1-K) 因为连续模式电流有一部分直流分量，对应Bmax也有一部分直流励磁。这个一定注意，连续模式要是直接用Bmax来计算匝数匝数就会算少所以很容易就会饱和了。 有关Bmax的取值，对于常见的PC40/PC44材料，保证在最恶劣工作状态下，不要超过0.38。计算的时候，一般选取0.28-0.32之间，假如在极限条件下抓到饱和波形，可以抬高一点频率。 上面公式是计算断续模式匝数的。 ΔB=Bmax， 对于连续模式，上面式子一定要修改为： ΔB=Bmax*(1-K) 要不然计算出的匝数偏小，动态情况下很容易就饱和了。 计算气隙长度 公式推导比较简单的，具体的可以自行百度。安培环路定则还有做电源的俩最基本的公式消元法就OK了。 上面做了近似，近似所有的磁场能量都储存在气隙里面，因为磁芯的磁导率很高，气隙的磁场强度是磁芯的几时到几百倍，所以，近似磁芯为磁路短路，磁回路长度近似为气隙长度。 计算次级匝数 注意合理匝数取整。这个结合自己项目实际情况，取整后，变比会有所变化，Dmax也会有所变化，所以需要用取整后的参数进行核算Bmax。 对取整以后的变压器参数进行反向核算 因为对变压器进行了匝数取整变比也就成了一个确定值。Vinmin已知，变比n已知。 上面的公式我不推导了还是利用伏秒积平衡原理。 变压器初级电流我们在确定初级电感量的时候，是使用平均值反推出峰值，但是，由于变压器绕组主要损耗是线电阻损耗，电流在电阻负载上的功耗计算，需要有效值电流。反激式工作电流波有两种状态，断续模式与连续模式。 两种波形有各自的有效值电流计算公式 我只是很久以前推到过赵修科老师书上有自己可以去参考一下 上图是断续模式的计算公式 计算次级电流有效值 反激式初级次级工作电流是对应的，初级连续，次级也是连续，初级断续，次级也是断续的，因为初次级共用的是同一个磁芯。 上面是次级电流有效值的计算，断续模式的，并且加入了次级电流连续或者断续的判断，(判断这一步其实没有必要，因为变压器初级连续，次级也连续，初级断续，次级也断续。) 计算线径 电流密度呢，一般都选取6A/mm^2。 一定要注意趋肤效应，最小占空比越小，频率越高，趋肤效应越严重。特别是前级带有PFC的反激式电源。因为考虑到成本，尽量使用600V的Mos管，所以占空比非常小，也就0.15左右，这时候，变压器初级一定要使用多股线，用单根线的话，需要取更小的电流密度。 对于一定的电流，需要的导线截面积是一定的，在实际选取线径的时候，要结合实际所选的骨架几何尺寸，做合适的组合，尽量不要散绕，对于某一层绕组，单根线太散的话，可以选取两根或者几根细线进行并饶，只要绕组的总截面积在计算值左右就好。 至此，与反激式变压器相关的设计流程也就讲解完毕了。
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探讨高频开关电源设计中的电磁兼容问题
引言 开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前，电子产品的电磁兼容性（EMC）日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合EMC标准，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。本文就高频开关电源设计中的电磁兼容性问题进行了探讨。 1、开关电源的组成及工作原理 1.1、组成 开关电源的组成框图如图1所示，它由以下几个部分组成： 1）主电路包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波； 2）控制与保护电路； 3）检测与显示电路除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据； 4）辅助电源。 图1、开关电源的组成框图 1.2、开关稳压电源原理 开关稳压电源电路如图2所示。图2中的开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在K接通时，输入电源Vin通过K和滤波电路供电给负载RL，当K断开时，输入电源Vin便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图2中，由储能电感L、滤波电容C2和续流二极管D组成的电路，就具有这种功能。在AB间的电压平均值VAB可用式（1）表示。 VAB=Vinton/T=DVin（1） 式中：ton为K导通时间； T为K工作周期； D为占空比，D=ton/T。 图2、开关稳压电源电路原理图 由式（1）可知，改变D，即可改变VAB。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整D便能使输出电压Vo维持不变。这种控制方法称为时间比率控制（Time Ratio Control，缩写为TRC）。按TRC原理，它有3种方式： 1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式； 2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式； 3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的结合。 2、开关电源产生电磁干扰的机理 开关电源之所以是一个很强的电磁骚扰源，来源于高频通断的开关器件和输出整流二极管，以及脉冲变压器及滤波电感等。 2.1、开关管与整流管 开关管、整流管高频通断时所产生的dv/dt、di/dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个很强的骚扰源。 2.2、高频变压器 开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。 另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。需要注意的是，二极管整流电路产生的电磁骚扰中，整流二极管反向恢复电流的|di/dt|远比续流二极管反向恢复电流的|di /dt|大得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。 2.3、杂散参数影响耦合通道的特性 在传导骚扰频段（
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开关电源设计的重点问答
在开关电源设计中，PCB的布局、元器件和参数的确定、接地的方式无一不是设计过程的重要环节。本文小编就总结了这其中的几大重点问答，希望能对朋友们有所帮助。如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数？一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路，还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很大影响。输 出部分设计包含了输出电容，输出电感以及MOSFET等等，这些器件的选择基本上就是要满足性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值(意 味着小的封装和便宜的成本)，但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗，从而效率降低。低的开关频率带来的结果则是相反的。对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的，小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意，过多的MOSFET是不能被良好驱动的。一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。如何调试开关电源电路？(1)电源电路的输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试，避开后面电路的影响。(2)一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源就会工作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。为什么要接地?接 地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同 时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线(如电线绝缘不良，线路老化等)和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生 成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通 信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中， 信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。接地的定义在 现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是“线路电压的参考点”;对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架;对电气工程师来说，它是绿色安 全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是“低阻抗”和“通路”。常见的接地符号PE、PGND、FG-保护地或机壳；BGND或DC-RETURN-直流-48V(+24V)电源(电池)回流；GND-工作地；DGND-数字地；AGND-模拟地；LGND-防雷保护地。合适的接地方式接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频(f10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层)。为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开？模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。单板上的信号如何接地？对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面，等等。单板的接口器件如何接地？有 些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等， 并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值 的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。带屏蔽层的电缆线，屏蔽层如何接地？屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。
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开关电源设计案例详解
开关电源某些参数做得不好会造成EMC难过关、待机功耗大、效率不高。如何减小开关电源的待机功耗、提高开关电源的效率是全球电源行业共同关注的问题。本文配图讲述绿色开关电源设计要点。 随着现代科学技术的发展，器件的性能提高，特别是节能型电源芯片如雨后春笋般涌现，加上电路设计的成熟，要设计效率高、待机功耗小的节能型开关电源已是不太难的事情，设计节能型开关电源正是适应了节能减排的需求。近几年来，美国“能源之星”的实施对设计和制造高性能的节能型开关电源起到了推波助澜的作用。 符合“能源之星”的开关电源又叫“绿色开关电源”，针对开关电源的“能源之星”已经有了多个版本，随着版本的升级，开关电源的效率越来越高，待机功耗越来越小，但设计难度也会越来越大。开关电源的效率一般在满载输出功率时测试，但CEC（美国加州）及“能源之星”规范中对设计的平均效率是在负载的四个测试点进行实际测量，这四个点是：25%，50%，75%及1 0 0%，设计是有一定难度的。 本人现在以图一的电路图为例，以美国加州能源之星法案（Ⅳ等级）Table U-2（2008年1月执行）为设计依据来阐述设计绿色开关电源的要点。美国加州能源之星法案（Ⅳ等级）Table U-2的要求如下： 注意1：表中Pn是外置型开关电源的标准输出功率，Ln是自然对数。 注意2：美国加州“能源之星”是强制执行的，是美国加州地方法规。进入美国加州的商品开关电源必须遵守这一法规。我国不少厂商是按照美国加州“能源之星”法案来设计和生产绿色开关电源的。 图一所示是输出为12V3A的并联型反激式开关电源，作为14英寸至17英寸的液晶显示器的电源适配器之用。 绿色开关电源的设计要点 绿色开关电源的主要内容是效率高，待机功耗小。36W的效率要求大于83%，待机功耗要小于0.5W。现在的电源芯片供应商提供的一般都是绿色电源芯片，待机功耗一般都会很小。但是，效率高除了与芯片有关外，还与其它器件有流＋反向漏电流 Idss×反压，用6N60加散热器可满足要求。 二次整流管工作在高频脉冲状态下，在12V3A输出时，要求工作耐压大于输出电压的4 倍，工作电流大于输出电流的3倍，用耐压60V，工作电流为16A的SB1660肖特基二极管可满足要求，但一定要加散热器。 电源芯片的功耗越小越好，因为它除了影响整机效率和待机功耗外，还涉及整机的工作稳定性，其功耗越大，温升越高，工作越不稳定。如昂宝公司的绿色开关电源芯片 0B2269AP，其正常工作功耗小于30mW，工作稳定。 开关变压器的损耗是整机损耗的大头，它包括铜损和磁损。简单复制人家的优质开关变压器很难做成损耗小的开关变压器的，因为开关变压器的损耗是一个复杂的关系，与磁芯的品质、设计、绕制工艺等有关。拿设计反激式开关变压器而言，它与工作频率、导通时间、绕制方法、磁隙（磨磁芯）等有关。开关变压器的设计是设计开关电源的核心，要有高深的理论知识和多年的经验沉淀，优秀的开关电源设计工程师在选择高品质的磁芯、结合先进的绕制工艺，能设计出效率高于97%的开关变压器。图一中的开关变压器的磁芯选用浙江天通的EE-30L，开关工作频率为65KHz，导通时间是0.42T（T是周期），初级78圈，次级8圈，芯片供电绕组9圈，初级电感量 1.2mH，漏感小于35uH，变压器的效率可达96%，工作时温升低于60℃。阻尼吸收网络由R2、C3、D1组成，D1用UF4007，C3用 1000V4700PF的高压瓷片电容器，R2为120K2W的电阻，R2与C3配合得好，脉冲吸收效果明显，R2与C3失配太多，不但损耗加大，还会辐射电磁波而使EMC过不了关。经测试，该网络的损耗小于0.4W。要注意，该网络的设计是与电源芯片、工作频率、变压器的设计有关的，不能应用于所有开关电源的电路。 由于二次整流管在工作时会产生尖脉冲，在输出中会叠加杂波，并且还会辐射电磁波而使EMC难过关，故要在二极管两端并联尖脉冲吸收网络R8与C8，图一中C8为22000PF100V的瓷片电容、R8为56欧姆0.5W的碳膜电阻，此吸收网络也是有一定功耗的，C8越大R8 越小，损耗越大。 图一尖脉冲吸收网络的功率损耗小于0.25W。同样要注意，吸收网络的设计也与电源芯片、开关频率、肖特基二极管的特性、变压器的设计有关的。 阻波电感L2能使输出纹波减小，一般是用漆包线在6毫米粗的磁棒上绕8到16圈。要注意，由于要通过大电流，故漆包线要粗，圈数不要太多，以免产生过大的压降而增大损耗。图一中的 L2的电感量为12uH，用粗0.8毫米的漆包线绕制，至于绕多少圈，要视磁棒的磁材料参数而定。 L2的设计与电源的工作频率、输出电流有关。特别提醒大家注意的是，DC输出线（图中未画）一定要达到或超过3A，否则，由于通过的电流大，可能在DC输出线上产生的功率损耗是最大的冤大头。 DC输出线在电源适配器中的价格比重较大，不少生产商会降低其载流量而减少成本，结果会使效率得不到保证。 本人按照图一电路参数设计的反激式开关电源，在国内标准输入电压（220V50Hz正弦交流电）下，在输出功率的25％测试时，输出纹波为45mVpp，效率是83.4%；在输出功率的50%测试时，输出纹波为48mVpp，效率是83.8%；在输出功率的7 5%测试时，输出纹波为53mVpp，效率是84.5%；在满载输出功率测试时，输出纹波为58mVpp，效率是84.8%。待机功耗小于0.4W。符合 CEC（美国加州）“能源之星”法案Table U-2（2008年1月执行）绿色开关的要求。 开关电源设计工程师要有深厚的理论功底和丰富的设计经验以及注意设计细节等才能达到美国加州能源之星法案Ⅳ等级的设计要求。然而，符合“能源之星”的绿色开关电源不一定是优质电源，还要求其它参数符合，绿色开关电源只是在原来的开关电源参数上提高了有关能效的参数标准而已。 随着人们低碳生活的需求，开关电源的能效要求会越来越高，开关电源的设计难度也会越来越大，这就要求开关电源设计工程师不断更新知识，熟悉新材料，学习新技术，掌握新工艺，对技术精益求精，这样才能设计出高品质的绿色开关电源。
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开关电源设计重难点问答剖析
如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数？ 很多未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，比如担心开关电源的EMI问题、PCB layout问题、元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了，使用开关电源设计还是非常方便的。 一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。 开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路，还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很大影响。 输出部分设计包含了输出电容，输出电感以及MOSFET等等，这些器件的选择基本上就是要满足性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值（意味着小的封装和便宜的成本），但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗，从而效率降低。低的开关频率带来的结果则是相反的。 对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的，小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意，过多的MOSFET是不能被良好驱动的。 一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。 如何调试开关电源电路？ （1）电源电路的输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试，避开后面电路的影响。 （2）一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源就会工作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。 为什么要接地？ 接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了 “地”的概念。 接地的定义 在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是“线路电压的参考点”；对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是“低阻抗”和“通路”。 常见的接地符号 PE、PGND、FG-保护地或机壳；BGND或DC-RETURN-直流-48V（+24V）电源（电池）回流；GND-工作地；DGND-数字地；AGND-模拟地；LGND-防雷保护地。 合适的接地方式 接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频（f10MHz）电路时就要采用多点接地了或者多层板（完整的地平面层）。 信号回流和跨分割的介绍 对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。 第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。 第二，对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层（或电源层）为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。 第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。 为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开？ 模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。 一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。 单板上的信号如何接地？ 对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量；靠近地平面或者电源平面，等等。 单板的接口器件如何接地？ 有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。 带屏蔽层的电缆线，屏蔽层如何接地？ 屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
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开关电源设计常见问题总结
如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数?很多未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，比如担心开关电源的干扰问题，PCB layout问题，元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了，使用开关电源设计还是非常方便的。一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路，还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很大影响。输出部分设计包含了输出电容，输出电感以及MOSFET等等，这些器件的选择基本上就是要满足性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值(意味着小的封装和便宜的成本)，但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗，从而效率降低。低的开关频率带来的结果则是相反的。对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的，小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意，过多的MOSFET是不能被良好驱动的。一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。如何调试开关电源电路?有一些经验可以共享给大家：(1)电源电路的输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试，避开后面电路的影响。(2)一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源就会工作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。为什么要接地?接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线(如电线绝缘不良，线路老化等)和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了“地”的概念。接地的定义在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是“线路电压的参考点”;对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架;对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是“低阻抗”和“通路”。常见的接地符号PE、PGND、FG-保护地或机壳;BGND或DC-RETURN-直流-48V(+24V)电源(电池)回流;GND-工作地;DGND-数字地;AGND-模拟地;LGND-防雷保护地。合适的接地方式接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频(f10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层)。信号回流和跨分割e#信号回流和跨分割的介绍对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。第二，对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。 (这是针对多层板多个电源供应情况说的)为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开?模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。单板上的信号如何接地?对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面，等等。单板的接口器件如何接地?有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。带屏蔽层的电缆线，屏蔽层如何接地?屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。
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别把UC3842忘了 开关电源设计的好帮手
基于UC3842组成的DC-DC转换器，总框架采用现成的电路，但实际应用中由于输入电压和工作频率不同，重新设计了电路，参数UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出电流控制脉宽调制器芯片。UC3842为8脚双列直插式封装，其内部原理框图如图1所示。主要由5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。端1为COMP端;端2为反馈端;端3为电流测定端;端4接Rt、Ct确定锯齿波频率;端5接地;端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力;端7为集成块工作电源电压端，可以工作在8～40V;端8为内部供外用的基准电压5V，带载能力50mA。2.1启动过程首先由电源通过启动电阻R1提供电流给电容C2充电，当C2电压达到UC3842的启动电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当6脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向UC3842供电。UC3842内部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为16V和10V，如图3所示。在开启之前，UC3842消耗的电流在1mA以内。电源电压接通之后，当7端电压升至16V时UC3842开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为15mA。因为UC3842的启动电流在1mA以内，设计时参照这些参数选取R1，所以在R1上的功耗很小。2.2稳压过程从图2中可知，当场效应管导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：式中：E——整流电压;Lp——变压器初级绕组电感;Ton——场效应管导通时间。在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为：式中：n——变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：式中：Ls——变压器次级绕组电感;Uo——输出电压;Toff——场效应管关闭时间。上式说明，输出电压Uo与Ton成正比，与匝比n及Toff成反比。比如，由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使2端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长;反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。UC3842为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占空比，控制场效应管的导通时间。反馈电压输入2脚，此脚电压与内部2.5V基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度;输出脉冲的频率由4脚外接定时电阻Rt及定时电容Ct决定：Rt的单位是kΩ，Ct是μF。3脚为电感、电流传感器端，取样超过1V时，缩小导通脉宽使电源处在间隙工作状态;6脚为输出端，内部图腾柱式，上升、下降时间仅有50ns，驱动能力为±1A;7脚为供电输入，起振后工作电压在10～13V之间，若低于10V电路停止工作，功耗为15mW；8脚为内部基准5V(50mA)。
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基于逆变电源开关电源设计
电源用通常理解的话说：是一种可以为我们电子电器提供合适电压，电流，波形与频率的转换装置!比如：直流电源，可以理解为频率为零，波形为直线的电源。交流电源，可以理解为电压交替变换(正负在两电极间转换)，有频率，波形的电源!不管哪一种电源，我们都可以用微分积分数学把它在任一点时间内的值求解，且有唯一解!比如：方波，是有无数量级的正弦波组成，因此，方波可以分解为奇次谐波与牛次谐波!我们一般取值3次谐波就可以满足要求!占功率最大部分是基波。 由于我们现在的电源采用的变压器基本上为高频磁心，所以场效应管就成为主要的功率器件!大家都明白，场管是工作在开关状态的，所以以它作为功率管，电源输出的都是脉冲方波，因此场管为功率的电源都带有很大份量的谐波与基波!对于场管为开关功率管的电源，还要明白的就是：场管所生产的损耗90%是在开通志关断的时间内生产的，因为开通与关断时间内都有一个很大的瞬间电阻!所以解决开关电源问题，其实主要的工作就是如何减小开通，关断损耗，对于谐波，我们可以通过滤波器来解决!我们还有一点要明白的就是：场管对瞬间变化的电压很敏感，所以给它供电的电源必须电压要稳定!最后要明白的就是：它的栅极电阻很大，一点点电压就可以让其开通，基本上不要求有电流。所以场管是一种电压控制元件。 通过上述，我们明白到，要使用好场管： 1、供电电压要稳定。 2、控制好开通，关断损耗。 3、适当降低栅极电阻，防止误导通。 4、要有低通放电电路与速充电电路，因为场管是栅极有电容，其电容充电要快，放电也要快!所以要用图腾柱电路。 我们要设计一款好电源程： 第一：确定你的电源功率与输入电压。由电源功率选择开关管的开关电流，变压器体积，输入电压确定开关管的耐压与变压器输入圈数。 第二 ：不管何种电压，电源功率，用到场管都要有低通放电与速充电电路。 第三：变压器要有吸收电路，把谐波吸收。 第四：场管栅极内阻要用电阻接地拉低。 第五：要选择合适的开关频率，保证静太损耗最小的同时，场管转换效率最高。 第六：对于输入电压超过75V时，要考滤谐振电路作为负助功能电路。 第七：功率过大时，要考滤PFC电路接入设计中。 第八：驱动信号要稳定!且要有5V以上。 不管是开关电源，逆变电源，高频设计成为主要的技术手段与主流!对于很多没计过电源或是对电源设计还未达到项目开发能力的人来说，一想到设计，就会想到各种各样的计算模式!这种想法是对的，但做法是错的!真正的电源高手从来不去计算太多的。就算元件有1000个，也不会动笔去算得太多!但出来的电源却是效果超好。为什么呢?因为有经验!计算，只是在学校里应对老师的!实质上在产量化的工厂，老板是等不来你算的!因为他的交货是有时限的!超过时限就要培钱!所以对于没设计过电源的朋友或者正在第一次设计电源的朋友，不要老是想一个电源的参数如何算出来。最重要的是经验。 一个高手设计的电源!讲够的是罗辑!也就是根据电源参数要求定好方案(使用何种电路简单又稳定，成本又低，在工艺上要求不高，日后维护方便，材料好采购等)并不是如何去算它!在电源的网上，我的贴子是广告，理论参半!也有很多网友天天跑过来问我这个参数如何算，哪个如何定!说多一次!做电源不用算!讲够的是模式!也就是电源结构!变压器不用算，场管也不用算!频率讲经验!各种保护讲够你常用的电路模式! 一个真正的电源工程师是如何工作的呢： 一：接过电源设计要求!评估成本，定可行性方案。 二：根据客户报价!给定大体的元件成本与生产成本，可行性电路。 三：构想出原理图!确定所选取的功率管，变压器，最稳定最简单生产又方便的原理方案。 四：根据原理图，客户给定的样板要求或外壳要求设计PCB。 五：根据原理图，装配合适元件，对电器参数调整。让本机在最低要求下能正常工作。 六：上负载测试!功率达80测式!检查输出波形，电压要求，电磁性能，功率管温度，电压稳定度，转换效率。在这一个程中，对电子元件进行合适的参数调整。 七：强化测试!也就是超负何，短路，低压，过压，强温，防震等测试。 八：根据样板确定原理图准确的参数，定好方位图，物料图，发给生产部，仓管，跟单员，对样板进行小批量生产。 九：对样板进行严格测试，各种性能OK，由业务员发给客户评估。OK了，可以量产。 10：以后生产对项目进行跟踪，改良，以最短时间，最好质量给客户出货。 从上10点!我没提过工程师的参数是如何得出来的!其实，工程师所有参数是从经验与调试中出来的。我们设计电源，对参数的计算95%是不要的!比如逆变器，1000W，可以用两个55，因为每个都能达500，也可以用4个40，因为每个40可以达350W。变压器，哪用算呢!不过要有经验。当然你也可以参考完成的产品来定!线圈数，我们也要给验。电路参数，对于电子元件，就哪几个：电阻，电容，二极管，三极管，电感，热敏，压敏，场管，变压器，保险，集成电路等!各个元件的组合，也就是我们的基本电路：放大，滤波，隔离，信号源，稳压，比较，电流放大，电压放大等常驻用电路。当然还要加上自己想出来的一些独立电路! 所以，我们可以把电源板看成一个统一体，然后有所需用我们常用电路相拼。这样就能得出一款好的产品。对于新产品，要用自己比较了解又有把握的电路!如不是，设计出来的产品，在生产上问题就会非常多! 很多高手工程师，往往是设计PCB才出原理!因为原理就算出来了，也要根据PCB变化!PCB才是实质中的精华!不过这类产品，就算是最高级工程师，也要常设计同类产品才能做到。
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开关电源设计及过程概述
一、概论 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为，标志电源特性的参数有功率、电源、频率、噪声及带载时参数的变化等等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，人可按此去"塑造"和完美电源，因此电源的形式是极多的。 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 一般电力要经过转换才能符合使用的需要。转换的例子有：交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率中取小功率等等。 开关电源的工作原理是： 1.交流电源输入经整流滤波成直流； 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载； 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。 开关电源设计全过程 1 目的 希望以简短的篇幅，将公司目前设计的流程做介绍，若有介绍不当之处，请不吝指教。 2 设计步骤： 2.1 绘线路图、PCB Layout. 2.2 变压器计算。 2.3 零件选用。 2.4 设计验证。 3 设计流程介绍(以DA-14B33为例)： 3.1 线路图、PCB Layout请参考资识库中说明。 3.2 变压器计算： 变压器是整个电源供应器的重要核心，所以变压器的计算及验证是很重要的，以下即就DA-14B33变压器做介绍。 3.2.1 决定变压器的材质及尺寸： 依据变压器计算公式 B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次侧电感值(uH) Ip = 一次侧峰值电流(A) Np = 一次侧(主线圈)圈数 Ae = 铁心截面积(cm2) B(max)依铁心的材质及本身的温度来决定，以TDK Ferrite Core PC40为例，100℃时的B(max)为3900 Gauss，设计时应考虑零件误差，所以一般取3000~3500 Gauss之间，若所设计的power为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss左右，以避免铁心因高温而饱合，一般而言铁心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做较大瓦数的Power. 3.2.2 决定一次侧滤波电容： 滤波电容的决定，可以决定电容器上的Vin(min)，滤波电容越大，Vin(win)越高，可以做较大瓦数的Power，但相对价格亦较高。 3.2.3 决定变压器线径及线数： 当变压器决定後，变压器的Bobbin即可决定，依据Bobbin的槽宽，可决定变压器的线径及线数，亦可计算出线径的电流密度，电流密度一般以6A/mm2为参考，电流密度对变压器的设计而言，只能当做参考值，最终应以温昇记录为准。 3.2.4 决定Duty cycle (工作周期)： 由以下公式可决定Duty cycle ，Duty cycle的设计一般以50%为基准，Duty cycle若超过50%易导致振荡的发生。 NS = 二次侧圈数 NP = 一次侧圈数 Vo = 输出电压 VD= 二极体顺向电压 Vin(min) = 滤波电容上的谷点电压 D =工作周期(Duty cycle) 3.2.5 决定Ip值： Ip = 一次侧峰值电流 Iav = 一次侧平均电流 Pout = 输出瓦数 效率 PWM震荡频率 3.2.6 决定辅助电源的圈数： 依据变压器的圈比关系，可决定辅助电源的圈数及电压。 3.2.7 决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力)： 依据变压器的圈比关系，可以初步计算出变压器的应力(Stress)是否符合选用零件的规格，计算时以输入电压264V(电容器上为380V)为基准。 3.2.8 其它： 若输出电压为5V以下，且必须使用TL431而非TL432时，须考虑多一组绕组提供Photo coupler及TL431使用。 3.2.9 将所得资料代入 公式中，如此可得出B(max)，若B(max)值太高或太低则参数必须重新调整。 3.2.10 DA-14B33变压器计算： 输出瓦数13.2W(3.3V/4A)，Core = EI-28，可绕面积(槽宽)=10mm，Margin Tape =？ 2.8mm(每边)，剩余可绕面积=4.4mm. 假设fT = 45 KHz ，Vin(min)=90V，？ =0.7，P.F.=0.5(cosθ)，Lp=1600 Uh 计算式： 变压器材质及尺寸：l 由以上假设可知材质为PC-40，尺寸=EI-28，Ae=0.86cm2，可绕面积(槽宽)=10mm，因Margin Tape使用2.8mm，所以剩余可绕面积为4.4mm. 假设滤波电容使用47uF/400V，Vin(min)暂定90V. 决定变压器的线径及线数： 假设NP使用0.32ψ的线 电流密度= 可绕圈数= 假设Secondary使用0.35ψ的线 电流密度= 假设使用4P，则 电流密度= 可绕圈数= 决定Dutyl cycle： 假设Np=44T，Ns=2T，VD=0.5(使用schottky Diode) 决定Ip值： 决定辅助电源的圈数： 假设辅助电源=12V NA1=6.3圈 假设使用0.23ψ的线 可绕圈数= 若NA1=6Tx2P，则辅助电源=11.4V 决定MOSFET及二次侧二极体的Stress(应力)： MOSFET(Q1) =最高输入电压(380V)+ = =463.6V Diode(D5)=输出电压(Vo)+ x最高输入电压(380V)= =20.57V Diode(D4)= = =41.4V 其它： 因为输出为3.3V，而TL431的Vref值为2.5V，若再加上photo coupler上的压降约1.2V，将使得输出电压无法推动Photo coupler及TL431，所以必须另外增加一组线圈提供回授路径所需的电压。 假设NA2 = 4T使用0.35ψ线，则 可绕圈数= ，所以可将NA2定为4Tx2P 变压器的接线图： 3.3 零件选用： 零件位置(标注)请参考线路图： (DA-14B33 Schematic) 3.3.1 FS1： 由变压器计算得到Iin值，以此Iin值(0.42A)可知使用公司共用料2A/250V，设计时亦须考虑Pin(max)时的Iin是否会超过保险丝的额定值。 3.3.2 TR1(热敏电阻)： 电源启动的瞬间，由於C1(一次侧滤波电容)短路，导致Iin电流很大，虽然时间很短暂，但亦可能对Power产生伤害，所以必须在滤波电容之前加装一个热敏电阻，以限制开机瞬间Iin在Spec之内(115V/30A，230V/60A)，但因热敏电阻亦会消耗功率，所以不可放太大的阻值(否则会影响效率)，一般使用SCK053(3A/5Ω)，若C1电容使用较大的值，则必须考虑将热敏电阻的阻值变大(一般使用在大瓦数的Power上)。 3.3.3 VDR1(突波吸收器)： 当雷极发生时，可能会损坏零件，进而影响Power的正常动作，所以必须在靠AC输入端 (Fuse之後)，加上突波吸收器来保护Power(一般常用07D471K)，但若有价格上的考量，可先忽略不装。 3.3.4 CY1，CY2(Y-Cap)： Y-Cap一般可分为Y1及Y2电容，若AC Input有FG(3 Pin)一般使用Y2- Cap ， AC Input若为2Pin(只有L，N)一般使用Y1-Cap，Y1与Y2的差异，除了价格外(Y1较昂贵)，绝缘等级及耐压亦不同(Y1称为双重绝缘，绝缘耐压约为Y2的两倍，且在电容的本体上会有"回"符号或注明Y1)，此电路因为有FG所以使用Y2-Cap，Y-Cap会影响EMI特性，一般而言越大越好，但须考虑漏电及价格问题，漏电(Leakage Current )必须符合安规须求(3Pin公司标准为750uA max)。 3.3.5 CX1(X-Cap)、RX1： X-Cap为防制EMI零件，EMI可分为Conduction及Radiation两部分，Conduction规范一般可分为： FCC Part 15J Class B 、 CISPR 22(EN55022) Class B 两种 ， FCC测试频率在450K~30MHz，CISPR 22测试频率在150K~30MHz， Conduction可在厂内以频谱分析仪验证，Radiation 则必须到实验室验证，X-Cap 一般对低频段(150K ~ 数M之间)的EMI防制有效，一般而言X-Cap愈大，EMI防制效果愈好(但价格愈高)，若X-Cap在0.22uf以上(包含0.22uf)，安规规定必须要有泄放电阻(RX1，一般为1.2MΩ 1/4W)。 3.3.6 LF1(Common Choke)： EMI防制零件，主要影响Conduction 的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI特性及温昇，以同样尺寸的Common Choke而言，线圈数愈多(相对的线径愈细)，EMI防制效果愈好，但温昇可能较高。 3.3.7 BD1(整流二极体)： 将AC电源以全波整流的方式转换为DC，由变压器所计算出的Iin值，可知只要使用1A/600V的整流二极体，因为是全波整流所以耐压只要600V即可。 3.3.8 C1(滤波电容)： 由C1的大小(电容值)可决定变压器计算中的Vin(min)值，电容量愈大，Vin(min)愈高但价格亦愈高，此部分可在电路中实际验证Vin(min)是否正确，若AC Input 范围在90V~132V (Vc1 电压最高约190V)，可使用耐压200V的电容；若AC Input 范围在90V~264V(或180V~264V)，因Vc1电压最高约380V，所以必须使用耐压400V的电容。 Re：开关电方设计?过祘 3.3.9 D2(辅助电源二极体)：整流二极体，一般常用FR105(1A
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应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计
1.引言 与直流电机相比，交流电机不需要换向器和电刷，其结构更加简单。调速范围宽、稳态精度高、动态响应快、转子惯量小、输出功率大等诸多优点，使得交流电机在工业生产中得到较广泛地应用[1]。对伺服系统供电的电源性能的优劣，直接关系到整个系统的安全性和稳定性[2]。开关电源与低效率的线性电源相比，因为其效率高、体积小、重量轻而受到广泛地关注[3]。美国PI 公司生产的开关电源专用集成芯片TOPSwitch-II，是一种将PWM 和MOSFET 合二为一的新型芯片，此系列芯片以其体积小、重量轻、价格低等优势，一经推出便得到广泛的应用，展示了良好的应用前景。 2.TOPSwitch-II 工作原理 TOPSwitch-II芯片，将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成在一起，结构简单，只有三个引出端，分别为控制端C、源极S和漏极D[4]。内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现无工频变压器、隔离式开关电源单片集成化,使用安全可靠。TOPSwitch-II是电流控制型开关电源，控制端提供偏压Uc，对电流Ic的大小进行控制，就能连续调节脉冲占空比，实现脉宽调制。占空比D与控制端电流Ic呈线性关系(图1)。 由图1 可知，在Ic=2.0~6.0mA 范围内，当Ic↑时D↓，Ic↓时D↑。ICD1 是并在C-S 极旁路电容的放电电流，为1.2mA 或1.4mA;IB 是外部偏置电流， 3.多路开关电源设计原理 TMS320F2812 是控制板中的最重要的器件一。它每秒可执行1.5 亿次指令，具备卓越的数据处理能力。对该芯片供电的优劣，直接影响控制板工作的可靠性。由于芯片的供电电压是3.3V，考虑到控制的需要，总共需要两路+5V 供电，分别是模拟5V和数字5V。另外，控制板还有±15V 供电的芯片。IPM 模块是交流伺服系统最重要的器件之一。它一般使用IGBT 作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。本系统所使用的IPM，总共需要4 路电气隔离的+15V电源。综上所述，伺服系统需要+15V、-15V 和+5V三种电压等级供电,故需要设计一个能够提供上述电压等级的辅助电源。电源设计参数如下： ① 输入电压：VAC; ② 输出电压：U2~U9; ③ 最小功率：Pomin; ④ 最大功率：Pomax; ⑤ 转换效率：η; ⑥ 开关频率：fs; ⑦ 最大占空比：Dmax。 根据如上设计技术指标，需要从如下几个部分进行。 3.1 输入整流滤波电路 输入整流滤波电路采用Π型滤波(图2)：其中C17、C18 为差模电容，抑制差模干扰;C19、C20 为共模电容，抑制共模干扰;滤波电感L1 采用双线并绕。采用不可控的整流桥，整流器件的额定电流有效值ID，必须满足在低电压输入时最大平均电流值， 则： 1D 2( AC min ) omax I ? ?V PF ? P (1)式中，VACmin 为交流输入电压最小值;PF 为功率因数，一般取0.5。反向阻断电压VR，按高电压输入进行计算：max R 1.25 2 AC V ? ? V (2)图2 中，输入滤波电容C21 的容值，可以按照比例系数1~3μF/W 与输出最大功率Pomax 的乘积进行取值。 3.2 变压器 单端反激式开关电源中的变压器，在开关管开通时，储存能量，阻断时释放能量而对负载供电[5]。对于多路输出，如果要求每路输出电压均具有高精度，则每路均需要有闭环的稳压回路。对于本设计的多路输出，U3 输出这一路精度要求较高，对这一路输出需加闭环控制，其它几路要求相对不高，不需要闭环控制。 3.2.1 变压器铁芯 一般选软磁铁氧体作为变压器铁芯，根据式 (3)~(4)确定铁芯型号。 8 1max max ( ) 2 10 ( C ) o ON SQ B K K j P T 计 (3)式中，S 为铁芯的截面积(cm2);Q 为铁芯的窗口面积(cm2)。Bs 为选用的铁氧体饱和磁感应强度，考虑到高温时Bs会下降，选定工作最大磁感应强度Bm;TONmax为最大占空比Dmax对应的TOPSwitch-II 最大导通时间;△B 为铁芯磁感应强度的变化量，工作磁感应强为B，最小功率与最大功率的比值为K。上述几个量相互之间的对应关系为： 式中，Kc 为铁芯填充系数，Kμ 为窗口利用系数，j为导线电流密度。在确定铁芯型号时，铁芯实际的截面积与窗口面积乘积SeQe，应不小于SQ。 3.2.2 原边电感和气隙 反激式开关电源，当工作在连续工作模式时，电感电流临界连续，变压器原边绕组最小电感值L1min 为：1 2 21min min min max (2 o S ) i ON L ? P T ? U T ? (5)式(5)中，Uimin 为变压器原边直流输入电压最小值，文献[6]指出，它与VACmin 的关系为：2 1 1 1 1/2min min 21 max i 2 AC 2( ) (2 ) o U ? ?? V ? ?C ? ? f ? ? t P ?? (6)式中， f 为工频交流电网频率; t 为二极管的导通时间，一般取3ms。铁芯所开气隙δ 为：8 2 10 max 10 (2 e ) o S ? ? K? S B ? ? P T (7)3.2.3 原副边绕组匝数计算及电感校核图2 中，原副边绕组匝数N1~N10，按式(8)~(17) 计算：4 1 1/21 0 1min 10 ( e ) N ? ?? ? S ? L ? ?? (8)(1)匝比计算：U2~U3 输出，匝数为N2、N3。考虑到肖特基二极管压降U5D，由反激电路输入输出电压关系可以得到：?113 12 max 2 5 max min ( ON )( D ) ON i n n T T U U T U ? ? ? ? ? (9)U4~U9 输出，匝数为N4～N9。考虑到超快速二极管压降U15D，同理得：?114 max 4 15 max min ( ON )( D ) ON i n T T U U T U ? ? ? ? (10)15 16 17 18 19 14 n ? n ? n ? n ? n ? n (11)反馈绕组电压为U10，匝数为N10，考虑到超快速二极管压降U12D，同理得：1110 max 10 12 max min ( ON )( D ) ON i n T T U U T U ? ? ? ? (12) (2)各绕组匝数计算：12 3 12 1 N ? N ? (n )? N (13)以U2 为参考标准，计算其它副边绕组匝数及重新计算原边匝数：1 2 12 N ? N ? n (14)14 2 5 4 15 2 ( D ) ( D ) N ? U ?U ? U ?U N (15) N5 ? N6 ? N7 ? N8 ? N9 ? N4 (16)110 2 5 10 12 2 ( D ) ( D ) N ? U ?U ? U ?U N (17)式(13)~(17)实际取值时，因为匝数一般都取整数，故需对上述计算值进行进位取整(例如计算结果为7.13 和7.83 时，均取为8)。(3)原边电感校核：' 8 1 '21min 1 0 10 c L ? ? ? ? N ? S (18)式(18)的计算结果应不小于式(5)的值。同理，可计算出副边各个绕组最小电感值。考虑高频集肤效应，当开关频率为fs 时，铜线的透入深度△为：1/20 ( s ) ? ? ? f ? ? ? (19)式中，γ 为铜线的电导率。在确定导线线径时，其值不能超过2△。3.3 箝位保护电路采用瞬态电压抑制器(TVS)和超快恢复二极管(SRD)组成的箝位电路。电路的主要原理是利用TVS 的瞬态电压抑制特性来抑制脉冲电压[7]：当TVS 管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。D11 为TVS，它与D12(SRD)组成箝位电路，如图2 所示。D11 承受的耐压值U11、D12 承受的耐压值U12 分别按式(20)、式(21)计算：111 2 2 1 U ? 1.5U (N )? N? (20)12 max 2 AC U ? V (21)式中，N'1 为校核后的原边匝数。3.4 反馈电路光耦反馈电路实际由两部分构成：①由反馈绕组N10、高频整流滤波器构成的非隔离式反馈电路，反馈电压U10 为光敏晶体管提供偏压;②由取样电路、TL431、PC817 构成的隔离式反馈电路，它将输出电压U3 的变化量直接转换为控制电流Ic：在Ic=2~6mA 的范围内，输出电压U3 减小时，经过光耦反馈电路使得Ic 减小，D 增大，U3 增大，最终保证输出电压稳定。4.八路开关电源设计及性能测试4.1 参数设计考虑IPM 和DSP 及其他芯片的工作电流，功率选为75W。由TOPSwitch-II 最大输出功率与型号 故需对上述计算值进行进位取整(例如计算结果为 的关系，选择TOP226Y。按照上述分析，设计了基于TOP226Y 的八路输出开关电源，其电路原理图，如图2 所示，设计物理量及数值如表1 所示：表1 八路输出开关电源设计物理量及数值 在绕制变压器时，选择了EI33 型铁芯。为了使得各输出绕组间紧密耦合，先绕N1 的一半，再绕N10，之后依次绕N2~N9，最后绕N1 的另一半。变压器的各个绕组电感测量值和最小计算值如表2 所示：表2 变压器各个绕组电感测量值与最小计算值比较图2 开关电源电路原理图 从表2 可以看出，变压器各个绕组电感测量值均不小于最小计算值，满足设计要求。另外，将副边绕联立式(1)~(20),结合表1，可以求得开关电源各个主要待定物理量(按公式排列顺序)如表3 所示： 表3 八路输出开关电源待定物理量及数值 4.2 性能测试 交流输入电压给定187~253V 时，对开关电源进行了上电试验。为了证明钳位电路的设计,图3 给出了交流输入电压为220V 时，TOP226Y 的D 与S两端的电压应力波形，用差分探头20 倍衰减，可以看到电压被TVS 箝位在200V，使得TOP226Y 得到了很好地保护。图4~图11 是交流输入电压为220V时，测得的八路输出电压波形，从图中可以看到各路输出较稳定，纹波小。组短路，测得原边绕组漏感量为26.28μH，小于原边电感量5%。综上所述，变压器能够正常工作。 5.结论 本文采用TOP226Y 设计了一款多路输出的开关电源，对各个模块给出了理论分析和参数计算，最后通过实测结果分析，得到以下结论：(1)TOPSwitch-
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开关电源设计中如何减小EMI
先简单介绍一下下EMI： EMI翻译成中文就是电磁干扰。其实所有的电器设备，都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。 电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作，会干扰通信数据的正常传递，虽然对人体的伤害尚无定论，但是普遍认为对人体不利。 所以很多国家和地区对电器的电磁干扰程度有严格的规定。当然电源也不例外的，所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。 下面结合一些专家的文献来描述EMI. 首先EMI 有三个基本面 就是 噪音源：发射干扰的源头。 耦合途径：传播干扰的载体。 接收器：被干扰的对象。 缺少一样，电磁干扰就不成立了。所以，降低电磁干扰的危害，也有三种办法： 1. 从源头抑制干扰。 2.切断传播途径 3.增强抵抗力，这个就是所谓的EMC(电磁兼容) 先解释几个名词： 传导干扰：也就是噪音通过导线传递的方式。 辐射干扰：也就是噪音通过空间辐射的方式传递。 差模干扰：由于电路中的自身电势差，电流所产成的干扰，比如火线和零线，正极和负极。 共模干扰：由于电路和大地之间的电势差，电流所产生的干扰。 通常我们去实验室测试的项目： 传导发射：测试你的电源通过传导发射出去的干扰是否合格。 辐射发射：测试你的电源通过辐射发射出去的干扰是否合格。 传导抗扰：在具有传导干扰的环境中，你的电源能否正常工作。 辐射抗扰：在具有辐射干扰的环境中，你的电源能否正常工作。 首先来看，噪音的源头： 任何周期性的电压和电流都能通过傅立叶分解的方法，分解为各种频率的正弦波。 所以在测试干扰的时候，需要测试各种频率下的噪音强度。 那么在开关电源中，这些噪音的来源是什么呢? 开关电源中，由于开关器件在周期性的开合，所以，电路中的电流和电压也是周期性的在变化。那么那些变化的电流和电压，就是噪音的真正源头。 那么有人可能会问，我的开关频率是100KHz的，但是为什么测试出来的噪音，从几百K到几百M都有呢? 我们把同等有效值，同等频率的各种波形做快速傅立叶分析： 蓝色： 正弦波 绿色： 三角波 红色： 方波 可以看到，正弦波只有基波分量，但是三角波和方波含有高次谐波，谐波最大的是方波。 也就是说如果电流或者电压波形，是非正弦波的信号，都能分解出高次谐波。 那么如果同样的方波，但是上升下降时间不同，会怎样呢。 同样是100KHz的方波 红色：上升下降时间都为100ns 绿色：上升下降时间都为500ns 可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。 我们继续分析下面两种波形， A: 有严重高频震荡的方波， 比如MOS，二极管上的电压波形。 B:用吸收电路，把方波的高频振荡吸收一下。 分别做快速傅立叶分析： 可以看到在振荡频率(大概30M)之后，A波形的谐波，要大于B波形。 再来看，下面的波形，一个是具有导通尖峰的电流波形，一个没有导通尖峰。 对两个波形做傅立叶分析： 可以看到红色波形的高次谐波，要大于绿色波形。 继续对两个波形，作分析 红色: 固定频率的信号 绿色：具有稍微频率抖动的信号 可以看到，频率抖动，可以降低低频段能量。进一步，放大低频段的频谱能量： 可以看到，频率抖动就是把频谱能量分散了，而固定频率的频谱能量，集中在基波的谐波频率点，所以峰值比较高，容易超标。 最后稍微总结一下，如果从源头来抑制EMI。 1.对于开关频率的选择，比如传导测试150K-30M,那么在条件容许的情况下，可选择130K之类的开关频率，这样基波频率可以避开测试。 2.采用频率抖动的技术。频率抖动可以分散能量，对低频段的EMI有好处。 3.适当降低开关速度，降低开关速度，可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。 4.采用软开关技术，比如PSFB，AHB之类的ZVS可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。而LLC等谐振技术，可以让一些波形变成正弦波，进一步降低EMI。 5.对一些振荡尖峰做吸收，这些管子上的振荡，往往频率很高，会发射很大的EMI. 6.采用反向恢复好的二极管，二极管的反向恢复电流，不但会带来高di/dt.还会和漏感等寄生电感共同造成高的dv/dt. 下面来看一下传播途径，这个是poon & Pong 两位教授总结的。 传播途径，比较的直观全面 我们先来看传导途径： 传导干扰的传递都是通过电线来传递的，测试的时候，使测试通过电线传导出来得干扰大小。 也就是说对电源来说，所有的传导干扰都会通过输入线，传递到测试接收器。 那么这些干扰如何传递到接收器的?又要如何来阻挡这些干扰传递到接收器呢? 先来看差模的概念，差模电流很容易理解，如下图， 差模电流在输入的火线和零线(或者正线到负线)之间形成回路，用基尔霍夫定理可以很容易理解，两条线上的电流完全相等。 而这个差模电流除了包含电网频率(或者直流)的低频分量之外，还有开关频率的高频电流，如果开关频率的电流不是正弦的，那么必然还有其谐波电流。 现在以最简单的，具有PFC功能的DCM 反激电源为例子，(如上图) 其输入线上的电流如下： 如将其放大： 可以看到电流波形为，众多三角波组成，但是其平均值为工频的正弦。那么讲输入电流做傅立叶分析，可以得到： 可以看到，除了100Khz开关频率的基波之外，还有丰富的谐波。继续分析到更高频率，可以看到： 如果不加处理，光差模电流就可以让传导超标。 那么如何，来阻挡这些高频电流呢?最简单有效的，就是加输入滤波器。 例子1，在输入端加一个RC滤波器： 在对输入电流做傅立叶分析： 可以看到高频谐波明显下降 如果加LC滤波器： 对输入电流做分析： 可以看到滤泡效果更好，但是在低频点却有处更高了。这个主要是LC滤波器谐振导致。 而实际 电路中，由于各种阻抗的存在。LC不太容易引起谐振，但是也会偶尔发生。 如果在传导测试中发现低频段，有非开关频率倍频的地方超标，可以考虑是否滤波器谐振。
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开关电源设计中减小EMI的方法
先简单介绍一下下EMI： EMI翻译成中文就是电磁干扰。其实所有的电器设备，都会有电磁干扰。只不过严重程度各有不同。 电磁干扰会影响各种电器设备的正常工作，会干扰通信数据的正常传递，虽然对人体的伤害尚无定论，但是普遍认为对人体不利。 所以很多国家和地区对电器的电磁干扰程度有严格的规定。当然电源也不例外的，所以我们有理由好好了解EMI以及其抑制方法。 下面结合一些专家的文献来描述EMI. 首先EMI 有三个基本面 就是 噪音源：发射干扰的源头。 耦合途径：传播干扰的载体。 接收器：被干扰的对象。 缺少一样，电磁干扰就不成立了。所以，降低电磁干扰的危害，也有三种办法： 1. 从源头抑制干扰。 2.切断传播途径 3.增强抵抗力，这个就是所谓的EMC(电磁兼容) 先解释几个名词： 传导干扰：也就是噪音通过导线传递的方式。 辐射干扰：也就是噪音通过空间辐射的方式传递。 差模干扰：由于电路中的自身电势差，电流所产成的干扰，比如火线和零线，正极和负极。 共模干扰：由于电路和大地之间的电势差，电流所产生的干扰。 通常我们去实验室测试的项目： 传导发射：测试你的电源通过传导发射出去的干扰是否合格。 辐射发射：测试你的电源通过辐射发射出去的干扰是否合格。 传导抗扰：在具有传导干扰的环境中，你的电源能否正常工作。 辐射抗扰：在具有辐射干扰的环境中，你的电源能否正常工作。 首先来看，噪音的源头： 任何周期性的电压和电流都能通过傅立叶分解的方法，分解为各种频率的正弦波。 所以在测试干扰的时候，需要测试各种频率下的噪音强度。 那么在开关电源中，这些噪音的来源是什么呢? 开关电源中，由于开关器件在周期性的开合，所以，电路中的电流和电压也是周期性的在变化。那么那些变化的电流和电压，就是噪音的真正源头。 那么有人可能会问，我的开关频率是100KHz的，但是为什么测试出来的噪音，从几百K到几百M都有呢? 我们把同等有效值，同等频率的各种波形做快速傅立叶分析： 蓝色： 正弦波 绿色： 三角波 红色： 方波 可以看到，正弦波只有基波分量，但是三角波和方波含有高次谐波，谐波最大的是方波。 也就是说如果电流或者电压波形，是非正弦波的信号，都能分解出高次谐波。 那么如果同样的方波，但是上升下降时间不同，会怎样呢。 同样是100KHz的方波 红色：上升下降时间都为100ns 绿色：上升下降时间都为500ns 可以看到红色的高次谐波明显大于绿色。 我们继续分析下面两种波形， A: 有严重高频震荡的方波， 比如MOS，二极管上的电压波形。 B:用吸收电路，把方波的高频振荡吸收一下。 分别做快速傅立叶分析： 可以看到在振荡频率(大概30M)之后，A波形的谐波，要大于B波形。 再来看，下面的波形，一个是具有导通尖峰的电流波形，一个没有导通尖峰。 对两个波形做傅立叶分析： 可以看到红色波形的高次谐波，要大于绿色波形。 继续对两个波形，作分析 红色: 固定频率的信号 绿色：具有稍微频率抖动的信号 可以看到，频率抖动，可以降低低频段能量。进一步，放大低频段的频谱能量： 可以看到，频率抖动就是把频谱能量分散了，而固定频率的频谱能量，集中在基波的谐波频率点，所以峰值比较高，容易超标。 最后稍微总结一下，如果从源头来抑制EMI。 1.对于开关频率的选择，比如传导测试150K-30M,那么在条件容许的情况下，可选择130K之类的开关频率，这样基波频率可以避开测试。 2.采用频率抖动的技术。频率抖动可以分散能量，对低频段的EMI有好处。 3.适当降低开关速度，降低开关速度，可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。 4.采用软开关技术，比如PSFB，AHB之类的ZVS可以降低开关时刻的di/dt,dv/dt。对高频段的EMI有好处。而LLC等谐振技术，可以让一些波形变成正弦波，进一步降低EMI。 5.对一些振荡尖峰做吸收，这些管子上的振荡，往往频率很高，会发射很大的EMI. 6.采用反向恢复好的二极管，二极管的反向恢复电流，不但会带来高di/dt.还会和漏感等寄生电感共同造成高的dv/dt. 下面来看一下传播途径，这个是poon & Pong 两位教授总结的。 传播途径，比较的直观全面 我们先来看传导途径： 传导干扰的传递都是通过电线来传递的，测试的时候，使测试通过电线传导出来得干扰大小。 也就是说对电源来说，所有的传导干扰都会通过输入线，传递到测试接收器。 那么这些干扰如何传递到接收器的?又要如何来阻挡这些干扰传递到接收器呢? 先来看差模的概念，差模电流很容易理解，如下图， 差模电流在输入的火线和零线(或者正线到负线)之间形成回路，用基尔霍夫定理可以很容易理解，两条线上的电流完全相等。 而这个差模电流除了包含电网频率(或者直流)的低频分量之外，还有开关频率的高频电流，如果开关频率的电流不是正弦的，那么必然还有其谐波电流。 现在以最简单的，具有PFC功能的DCM 反激电源为例子，(如上图) 其输入线上的电流如下： 如将其放大： 可以看到电流波形为，众多三角波组成，但是其平均值为工频的正弦。那么讲输入电流做傅立叶分析，可以得到： 可以看到，除了100Khz开关频率的基波之外，还有丰富的谐波。继续分析到更高频率，可以看到： 如果不加处理，光差模电流就可以让传导超标。 那么如何，来阻挡这些高频电流呢?最简单有效的，就是加输入滤波器。 例子1，在输入端加一个RC滤波器： 在对输入电流做傅立叶分析： 可以看到高频谐波明显下降 如果加LC滤波器： 对输入电流做分析： 可以看到滤泡效果更好，但是在低频点却有处更高了。这个主要是LC滤波器谐振导致。 而实际 电路中，由于各种阻抗的存在。LC不太容易引起谐振，但是也会偶尔发生。 如果在传导测试中发现低频段，有非开关频率倍频的地方超标，可以考虑是否滤波器谐振。
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汽车电源设计趋势分析：从线性方案迈向开关方案
如今，随着人们对汽车的便利性、安全性、舒适性以及环保节能的要求越来越高，汽车已由最初的以机械部件为主演变至机电一体化，且对电子技术的依赖程度不断提高，越来越多的电子模块被集成以向汽车使用者提供更多功能。然而，这趋势也令汽车电子工程师面临更多的挑战：数字元件的增多导致电源电压下降以及元件内电流上升，加上政府法规对二氧化碳排放的要求日趋严苛，以及消费者对燃油经济性的要求，工程师需要从电源管理模块的设计方面考虑如何降低功耗，减小静态电流，提升系统能效并符合各种环境法规及安全标准。 电源能效 尽量提升电源能效一直是设计的一个核心目标。从热力学角度来讲，现实世界的能量转移并不完美，由于散热和其他系统损耗等因素，输入功率永远不可能等于输出功率。这由电源能效来衡量，也就是输出功率除以输入功率的比值。 我们假定线性稳压器和开关电源都有2.5 W的额定功率，以及5 V输出电压和0.5 A输出电流，那么线性稳压器需要6 W的输入功率(损失的3.5 W归咎于稳压器散热)，能效为41%，而开关式稳压器仅需2.8 W的输入功率，能效高达90%。 因此，开关方案提供比线性方案更高的能效。对设计师来说，了解从线性方案迈向开关方案的设计考量及其对设计的影响是很有必要的。 开关电源设计考量 根据开关电源的工作原理，通过导通和关断的开关状态对输入电压进行增加/减小/逆变的脉冲调制，这是优于线性方案只能减小输入电平的又一优势。然而，开关方案也有很多弊端，由于其复杂的反馈回路，外部元件较线性方案多且需要更多的PCB面积，再加上开关的性质导致其除噪性能差。 为减轻开关电源弊端，系统设计师需作以下考量： (一)电磁干扰 减少回路面积，优化PCB布局，从而减弱电路间的干扰; 避免由稳压器和系统环境产生的敏感频段; 采用扩频调制技术、决定光谱含量和去耦方案降低排放峰值。 (二)外部元件数量 集成的电源开关可减小布线尺寸，功耗比板外电源开关更低，且更易于设计。 (三)PCB面积 减小电感和电容的尺寸，所占PCB面积得以减小，且开关频率增加，使能效得以提升，同时减弱PCB电磁辐射和电磁干扰。但需注意尽量使导通和开关损耗最小化，降低噪声。 (四)反馈回路设计 为匹配输出阻抗的后稳压器选择合适的负输入电阻以避免振荡，达到稳压输出的目的; 有效使用仿真工具以了解频域中的频率补偿;频率补偿可通过选择单极响应控制方案来实现。 (五)瞬态电流 将线性稳压器和开关电源并联，可减小瞬态电流，称为混合开关电源;且可根据线路负载情况，以恒定的开和关条件进行脉冲频率调制。 汽车系统电源拓扑结构演变 工程师须视具体的应用为汽车系统选择合适的电源管理设计方案。 图一：汽车系统电源拓扑结构演变概览 混合线性/开关电源(SMPS)方案典型用于汽车ADAS系统和启停系统 随着车辆主动安全系统的重要性的与日俱增，先进驾驶辅助系统(ADAS)逐渐从高档车应用扩展至中低档车，它通过协助驾驶员控制车辆的复杂过程以提供更安全便利的驾驶体验如自适应巡航控制、盲点监控、车道偏离警报、夜视、车道保持协助、以及具自动转向和制动措施的碰撞警报系统。下一代ADAS系统将可令驾驶体验进一步自动化，如：用智能手机app协助自动停车;搭载V2X通讯系统实现车辆与车辆或车辆与外界环境的即时信息交换，从而大大缓解交通堵塞，减少交通事故的发生;通过介质雷达传感器平台识别事故隐患，作出灵敏反应并自主采取行动，提供多重安全功能的同时降低成本。 图二：ADAS系统 这就需要配以系统基础芯片(SBC), 通过通信技术如以太网成功连接车辆中的各部分如摄像头、GPS、雷达和旋转编码器来实现。由于ADAS系统高集成度的复杂性，系统设计师需要为其选择高精度和可定制的电源和功率模块，为电源部分提供专用功能如看门狗功能、电源监控冗余功能以及电压监控功能，以保证符合ISO26262标准的汽车安全完整性(ASLI) B等级，实现整车功能性安全和更安全的驾驶体验。 图三：以太网SBC技术实现ADAS的集成要求 随着燃油经济性标准和规范的二氧化碳排放协议的推行，启停系统的市场需求日益增加。所谓启停系统，即在汽车行驶过程中临时停车的时候自动熄火，需要继续前进时系统自动重启内燃机，从而减少发动机空闲的时间，以减少燃油消耗和二氧化碳排放。 内燃机无法自行启动，需要外力引发燃烧循环。这是启动电机的用途所在，当插入点火开关钥匙并将开关扭至“开”，启动电机启动。然而，启动电机转动曲柄发动引擎需要的电流量非常大，导致在启动阶段汽车电池电压显著下降。为避免启动阶段的压降，混合线性/SMPS方案被进一步改进，于降压稳压器和电池供电的LDO之间添加启停预升压器(如图一右上角所示)，它基于点火开关打开和关闭，以满足启停系统的低压启动。预升压器通常采用大功率集中式多相升压和分布式小功率单相升压等方法，用以避免电压骤降导致的异常，并符合12 V系统的 ISO 16750标准。 开关电源方案典型用于驾驶信息系统 驾驶信息系统包括车辆内外的信息系统、通信系统以及娱乐系统，是汽车发展的主要部分。油耗、车速、导航、娱乐及ADAS系统等信息都可通过仪表盘和中控面板向驾驶员显示。Nvidia、Intel等厂商不断提升系统集成能力并开发智能解决方案，通过图形处理器集成和连接各种不同车辆的功能。由于系统内部需要进行大量的计算，所以驾驶信息系统属于高功率应用，可采用开关电源方案。单相/多相SMPS作为用于驾驶信息系统的关键技术，可根据实时使用状况进行动态电压调节，减少不必要的功耗。安森美半导体的NCV8901系列是集成降压SMPS的转换器，输出电流为1.2 A，工作频率为2 MHz，输入电压范围4.5 V 至36 V，可耐受40 V抛负载电压，芯片工作结温为-40℃至150℃，体积小，输出精度高，可在驾驶信息系统中使用。[!--empirenews.page--] 汽车电源朝48 V 系统进发 因应不断提升的节能减排的需求/规范，轻型48 V系统销量近十年来一直在增长。48 V结构由12 V和48 V网络组成，两个网络之间通过双向输出的SMPS相连，结合传统的12 V或14 V网络，像大多数传统车辆一样采用铅酸电池。一个48 V锂离子电池配备一个独立的48 V网络。12 V网络处理传统的负载：照明、点火、娱乐、音频系统以及电子模块。48 V系统支持主动底盘系统、空调压缩机和再生制动。48 V结构的关键优点在于它结合了双压设置及众所周知的启停技术的优点，更有效地捕捉车辆制动能量，为不断增加的电气负载提供更高功率，同时提升可能高达15%的燃油能效;此外，它还减小传送到负载的电流、减少线束重量从而提升电源能效。 结语 汽车行业相关的电源管理模块的复杂性不断增长，线性稳压器已不能满足高能效的需求，演变出将线性稳压器和开关电源并联的混合开关电源，典型用于ADAS系统和启停系统，以及开关电源典型用于驾驶信息系统，乃至仍受讨论但可进一步提升燃油能效的48 V 架构/系统，实现无论在小功率还是大功率应用中都尽可能地提升能效、降低能耗，符合政府的环境法规和安全标准，满足汽车消费者对燃油经济性的要求。
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用PWM直流/直流控制器简化开关电源设计
尽管 PWM 直流/直流开关电源转换器的结构很简单，但要用它做出实用的电源，还需要增加各种功能，如起动偏压、软起动、开关驱动、稳压、短路保护、过压保护、过热保护等。今天，一只小型直流/直流 PWM 控制器 IC 就可以实现上述的绝大多数功能。 但是，在电信和其它高电压应用（即，输入电压大于 15V）中经常存在直流/直流转换器的起动问题。控制器的运行需要一个偏置电压，以产生栅极驱动脉冲和其它所需信号。但在起动时，唯一可用的只有输入电压，如果输入电压大于 15V，一般情况下不能用作偏置和栅极驱动电压。因此，需要将输入电压降至 15V 以下，才能使电源起动。一旦电压正常运行，就可以用输出电压或者变压器、电感绕组中的电压，为 IC 提供偏置供电。 但是，大多数直流/直流控制器自身不带起动电路，电源设计人员要自己增加独立的起动电路和偏置电压（图1a）。这样虽然使 PWM 控制器具有多功能性，可以用于更宽的输入电压范围，但多出的起动电路却增加了复杂性和电源的体积。 美国国家半导体公司在自己的LM50xx系列8V ~ 100V PWM控制器（包括LM5020、LM5025、LM5030等）中集成了一个高电压起动电路（图 1b），从而为设计者解决了这个问题。这一功能的实现是因为控制器的制造采用了一种100V工艺。 这样，高输入电压可以直接送至控制器的VIN管脚，它是内部线性稳压器的输入。该稳压器产生一个约 8V 的 VCC 电压，用于为控制器提供起动电源。线性稳压器的 VCC 电压可以在外部从 VCC 脚得到，这样做有几个原因。 一个原因是 VCC 管脚是线性稳压器中外接输出电容的连接点，电容用于保持干净的 VCC 电源。 另一个原因是 VCC 可以作为电路中其它低压 IC 的电源，如运放、逻辑器件和栅极驱动器等。 VCC管脚也可以用于降低控制器的内部功耗，提高电源效率。LM50xx 控制器可以不定期地运行在输入电压和内部产生的VCC电压下（如图2a中的反激转换器）。但这会增加 IC 内的功耗。功耗计算方法为： PD = ( VIN - VCC ) IS 其中IS为控制器的供电电流，为控制器静态电流之和。IG为与频率有关的栅极驱动电流，这个MOSFET电流值以下式给出： IG = QGSfS 其中，QGS 为 MOSFET 在栅极电压为 VCC 和 fS开关频率下的栅极总电荷。 控制器在高输入电压、高开关频率下的 PD 可以非常高，当 IC 驱动一个大 MOSFET 管时，需要相当大的栅极驱动电流。LM50xx 控制器的设计可以避免这种功耗。在所有开关电源中，一旦电源开始运行，就很容易从变压器或电感绕组取得偏置电压。在 LM50xx 控制器中，这个电压（一旦获得）可以直接加在 VCC 管脚上，为 IC 提供电源，并且可以为系统中其它部件提供电源。在所有 LM50xx 系列控制器中，如果施加的这个电压大于内部稳压器的 8V 输出，则稳压器关断，消除了上述的功耗问题。在正确的偏置电源设计情况下，效率可以提高 1% 以上(图 2b)。不过，在输入电压较低的小功率系统中，经常省掉偏置电压而从内部线性稳压器获得电源。这样简化了电源结构，降低了成本，经常用于输出功率 30W 以下采用 LM50xx 控制器的设计。 如果输入电压在8~15V之间，则很容易为LM50xx控制器提供电源。VIN和VCC管脚可以简单地一起接到输入电压上，然后直接为控制器供电（图2c）。如果电压超过 15V，两个管脚就不能接到一起，输入电压必须高于 12V，控制器才能起动。 总之，美国国家半导体有内置起动稳压器的高电压 PWM 控制器能使设计者获得很多好处，如降低电路复杂性、减小方案尺寸、降低元件成本和设计时间，并且增加电路的可靠性。
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关于电源设计秘籍
我们以滤波器组件作为开始。这些组件占据了电源体积的大部分，同时滤波器的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面，每一次开关转换都会伴有能量损耗;工作频率越高，开关损耗就越高，同时效率也就越低。其次，较高的频率运行通常意味着可以使用较小的组件值。因此，更高频率运行能够带来极大的成本节约。 图1.1显示的是降压电源频率与体积的关系。频率为100 kHz时，电感占据了电源体积的大部分(深蓝色区域)。如果我们假设电感体积与其能量相关，那么其体积缩小将与频率成正比例关系。由于某种频率下电感的磁芯损耗会极大增高并限制尺寸的进一步缩小，因此在此情况下上述假设就不容乐观了。如果该设计使用陶瓷电容，那么输出电容体积(褐色区域)便会随频率缩小，即所需电容降低。另一方面，之所以通常会选用输入电容，是因为其具有纹波电流额定值。该额定值不会随频率而明显变化，因此其体积(黄色区域)往往可以保持恒定。另外，电源的半导体部分不会随频率而变化。这样，由于低频开关，无源器件会占据电源体积的大部分。当我们转到高工作频率时，半导体(即半导体体积，淡蓝色区域)开始占据较大的空间比例。 图1.1 电源组件体积主要由半导体占据 该曲线图显示半导体体积本质上并未随频率而变化，而这一关系可能过于简单化。与半导体相关的损耗主要有两类：传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中的传导损耗与 MOSFET 的裸片面积成反比关系。MOSFET 面积越大，其电阻和传导损耗就越低。 开关损耗与MOSFET 开关的速度以及MOSFET 具有多少输入和输出电容有关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体积器件具有较慢的开关速度以及更多的电容。图1.2 显示了两种不同工作频率 (F) 的关系。传导损耗 (Pcon) 与工作频率无关，而开关损耗 (Psw F1 和Psw F2) 与工作频率成正比例关系。因此更高的工作频率 (Psw F2) 会产生更高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时，每种工作频率的总损耗最低。另外，随着工作频率提高，总损耗将更高。 但是，在更高的工作频率下，最佳裸片面积较小，从而带来成本节约。实际上，在低频率下，通过调整裸片面积来最小化损耗会带来极高成本的设计。但是，转到更高工作频率后， 我们就可以优化裸片面积来降低损耗，从而缩小电源的半导体体积。这样做的缺点是，如果我们不改进半导体技术，那么电源效率将会降低。图1.2 提高工作频率会导致更高的总体损耗 如前所述，更高的工作频率可缩小电感体积;所需的内层芯板会减少。更高频率还可降低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容，我们就可以使用更低的电容值或更少的电容。这有助于缩小半导体裸片面积，进而降低成本。 技巧二：驾驭噪声电源 无噪声电源并非是偶然设计出来的。一种好的电源布局是在设计时最大程度的缩短实验时间。花费数分钟甚至是数小时的时间来仔细查看电源布局，便可以省去数天的故障排查时间。 显示的是电源内部一些主要噪声敏感型电路的结构图。将输出电压与一个参考电压进行比较以生成一个误差信号，然后再将该信号与一个斜坡相比较，以生成一个用于驱动功率级的PWM(脉宽调制)信号。 电源噪声主要来自三个地方：误差放大器输入与输出、参考电压以及斜坡。对这些节点进行精心的电气设计和物理设计有助于最大程度地缩短故障诊断时间。一般而言，噪声会与这些低电平电路电容耦合。一种卓越的设计可以确保这些低电平电路的紧密布局，并远离所有开关波形。接地层也具有屏蔽作用。
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开关电源设计要点分析
生活中处处可见电子产品，最常见就是电源，现在我们的生活可谓是离不开电源，照明需要电源，看电视需要电源，空调需要电源……所以如果我们在装修新房子最不能忽略的东西就是电源，如果房子里没有电源，可以说什么事情都不能干。因此，我们在设计开关电源时就需要格外注意，不能让电路出现问题。那么，开关电源设计时需注意什么?下面五个方面需格外注意。 1、布线 布线的设计要求在开关电源设计中是非常严格的，要做好才能过关。要是设计师在设计前期没处理好布线的工作，那么以后的用电会存在很大的安全隐患。所以在此我建议大家在购买开关电源的时候要注意排线的实际情况，以防发生无法挽回的伤害。 2、元器布局 元器设计也有非常重要讲究的，在设计的时候一定要遵循物理设计原理，不要凭自己的想法去改变元器的位置，以防发生短路的意外。此外，设计师在购买元器的时候也要自行检查产品的质量。 3、参数 在开关电源设计里面，我们一定要明白里面的每一个构造细节，特别是记清参数，这样才能给日后的使用具体说明。详细的参数也方便后期对开关电源的测试，这样也会节省一部分的时间。 4、检查 设计完每个开关电源后还要经过严格检查才能生产，只有通过检查才能确定开关电源的可用性跟适用性，从而进行开关电源的定价。在检查的时候，首先从电路开始，检测开关电源的真实工作环境，在什么样的环境下工作运行最合适，避免在某些环境下发生电路意外，安全是我们首先要关心的，所以我们需要对开关电源进行仔细检查。 5、选择合适的功率 为了能使开关电源的寿命更久，我建议选择的时候要选用30%输出功率额定的机种。倘若系统需要一个100W的电源，那么建议就要挑选大于140W输出功率额定的机种，以此类推才能有效提高电源的寿命。 看完上面的内容介绍之后，你应该也知道了开关电源设计时需注意的事项吧。设计开关电源时一定要格外注意上面所提到的五个方面，不然设计时出了问题，对以后的电源使用可是会造成挺大影响的。以上就是电源设计时需要注意的几个方面，对于初学者来说，会有一定的帮助。
