牽涉到開關電源技術設計或分析成為電子工程師的心頭之痛已是不爭的事實，由于廣大工程師網友對前四期的熱烈反響，電子發燒友網再接再厲推出《工程師不可不知的開關電源關鍵設計》系列五和工程師們一起分享，請各位繼續關注后續章節。

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工程師不可不知的開關電源關鍵設計（一）

工程師不可不知的開關電源關鍵設計（二）

工程師不可不知的開關電源關鍵設計（三）

工程師不可不知的開關電源關鍵設計（四）

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　　一、開關電源的電磁兼容性技術分析

　　1 引言

　　電磁兼容是一門新興的跨學科的綜合性應用學科。作為邊緣技術，它以電氣和無線電技術的基本理論為基礎，并涉及許多新的技術領域，如微波技術、微電子技術、計算機技術、通信和網絡技術以及新材料等。電磁兼容技術應用的范圍很廣，幾乎所有現代化工業領域，如電力、通信、交通、航天、軍工、計算機和醫療等都必須解決電磁兼容問題。其研究的熱點內容主要有：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應、電磁干擾的抑制技術、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規范、電磁兼容性的測量與試驗技術、電磁泄漏與靜電放電等。

　　電磁兼容的英文名稱為Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC。所謂電磁兼容是指設備（分系統、系統）在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。這里包含兩層意思，即它工作中產生的電磁輻射要限制在一定水平內，另外它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設備研制中所必須解決的兼容問題。電磁兼容技術涉及的頻率范圍寬達0 GHz ~400GHz，研究對象除傳統設備外，還涉及芯片級，直到各種艦船、航天飛機、洲際導彈甚至整個地球的電磁環境。

　　電磁兼容三要素是干擾源（騷擾源）、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項都可解決電磁兼容問題，電磁兼容的解決常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波。

　　2 電磁兼容技術名詞

　　（1）電磁兼容性

　　電磁兼容性是指設備或者系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

　　（2）電磁騷擾

　　電磁騷擾是指任何可能引起設備、裝備或系統性能降低或者對有生命或者無生命物質產生損害作用的電磁現象。電磁騷擾可引起設備、傳輸通道或系統性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過公共地線阻抗/內阻的耦合、沿電源線傳導的電磁騷擾和輻射干擾等。電子系統受干擾的路徑為：經過電源，通過信號線或控制電纜、場滲透，經過天線直接進入；通過電纜耦合，從其他設備來的傳導干擾；電子系統內部場耦合；其他設備的輻射干擾；電子設備外部耦合到內部場；寬帶發射機天線系統；外部環境場等。

　　（3）電磁環境

　　電磁環境是一種明顯不傳送信息的時變電磁現象，它可能與有用信號疊加或組合。

　　（4）電磁輻射

　　電磁輻射是指電磁波由源發射到空間的現象。“電磁輻射”一詞的含義有時也可引申，將電磁感應現象也包含在內。RFI/EMI可以通過任何一種設備機殼的開口、通風孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板以及機殼的非理想連接面等進行輻射。RFI/EMI也可由進入敏感設備的導線和電纜進行輻射，任何一個良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。

　　（5）脈沖

　　脈沖是指在短時間內突變，隨后又迅速返回至其初始值的物理量。

　　（6）共模干擾和差模干擾

　　電源線上的干擾有共模干擾和差模干擾兩種方式。共模干擾存在于電源任何一相對大地或電線對大地之間。共模干擾有時也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。這是載流導體與大地之間的干擾。差模干擾存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或對稱干擾。這是載流導體之間的干擾。共模干擾提示了干擾是由輻射或串擾耦合到電路中的，而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路。通常這兩種干擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會相互轉化，所以情況十分復雜。干擾經長距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大，這是因為線間阻抗與線-地阻抗不同的緣故。出于同一原因，共模干擾在線路傳輸中還會向鄰近空間輻射，而差模則不會，因此共模干擾比差模更容易造成電磁干擾。不同的干擾方式要采取不同的干擾抑制方法才有效。判斷干擾方法的簡便方法是采用電流探頭。電流探頭先單獨環繞每根導線，得出單根導線的感應值，然后再環繞兩根導線（其中一根是地線），探測其感應情況。如感應值是增加的，則線路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。

　　（7）抗擾度電平和敏感性電平

　　抗擾度電平是指將某給定的電磁騷擾施加于某一裝置、設備或者系統并使其仍然能夠正常工作且保持所需性能等級時的最大騷擾電平。也就是說，超過此電平時該裝置、設備或者系統就會出現性能降低。而敏感性電平是指剛剛開始出現性能降低的電平。所以，對某一裝置、設備或者系統而言，抗擾度電平與敏感性電平是同一數值。

　　（8）抗擾度裕量

　　抗擾度裕量是指裝備、設備或者系統的抗擾度電平限值與電磁兼容電平之間的插值。

　　3 開關電源的電磁兼容性

　　開關電源因工作在高電壓大電流的開關工作狀態下，引起電磁兼容性問題的原因是相當復雜的。從整機的電磁性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合及電磁波耦合幾種。共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過該阻抗使騷擾信號進入受騷擾體。線間耦合主要是產生騷擾電壓及騷擾電流的導線或PCB線因并行布線而產生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產生感應電場對受騷擾體產生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，產生的低頻磁場對騷擾對象產生的耦合。電磁場耦合主要是由于脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波通過空間向外輻射，對相應的受騷擾體產生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區分的，只是側重點不同而已。

　　在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關方式工作，開關電壓及開關電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號含有豐富的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關器件的工作狀態非理想，在高頻開或關時，常常產生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續流的開關二極管，也是產生高頻騷擾的一個重要原因。因整流及續流二極管工作在高頻開關狀態，二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產生高頻震蕩。整流及續流二極管一般離電源輸出線較近，其產生的高頻騷擾最容易通過直流輸出線傳出。開關電源為了提高功率因數，均采用了有源功率因數校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減少功率器件的電應力，大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開關技術應用最為廣泛。該技術極大的降低了開關器件所產生的電磁騷擾。但是，軟開關無損吸收電路多數利用L、C進行能量轉移，利用二極管的單向導電性能實現能量的單向轉換，因此，該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。

　　開關電源一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實現對差模及共模騷擾信號的濾波。由于電感線圈的分布電容，導致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號頻率的上升，引線電感的作用導致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導致電容器參數改變，也是產生電磁騷擾的一個原因。

　　4 電磁兼容性的解決方法

　　從電磁兼容的三要素講，要解決開關電源的電磁兼容性問題，可從三個方面入手：第一，減小騷擾源產生的騷擾信號；第二，切斷騷擾信號的傳播途徑；第三，增強受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關電源內部的兼容性時，可以綜合利用上述三個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。因而，開關電源產生的對外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導騷擾、電磁場輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來解決。一方面，可以增強輸入/輸出濾波電路的設計，改善APFC電路的性能，減小開關管及整流、續流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開關電路拓撲及控制方式等；另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，并進行良好的接地處理。而對外部的抗騷擾能力（如浪涌、雷擊）應優化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應的接地保護、加大小信號電路與機殼等的電距離來解決或選用具有抗靜電騷擾的器件。快速瞬變信號含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內，采用與防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波（加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環等）來提高系統的抗擾性能。

　　減小開關電源的內部騷擾，實現其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩定性及可靠性，應從以下幾個方面入手：①注意數字電路與模塊電路PCB布線的正確分區；②數字電路與模擬電路電源的去耦；③數字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻騷擾，減小地環地影響，布線時注意相鄰線間的間距及信號性質，避免產生串擾，減小輸出整流回路及續流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運用諧振頻率高的濾波電容器等。

　　5 濾波器結構

　　濾波是一種抑制傳導干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元，在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線上的傳導干擾，同時對傳輸線上的輻射發射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環，能夠改善電路的濾波特性。進行適當的設計或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100 mH -700mH，Cd取1μF -10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據實際情況加以調整。

　　所有電源濾波器都必須接地（廠家特別說明允許不接地的除外），因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地點相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。

　　濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。

　　如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，則可以抑制差模噪聲。如果把多個電容并聯，則效果會更好。

　　幾種濾波器的構成如圖2所示。在圖2（a）中，阻抗Z=1/（ωC1），高頻區域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯，其濾波效果更好。圖2（b）中，噪聲能通過電容旁路到地線上，這種濾波器連接時應使接地阻抗盡量小。圖2（c）中，C1、C2對不對稱噪聲有良好的濾波效果，C3對對稱噪聲有良好的濾波效果，連接時應使電容器的引線及接地線盡量短。圖2（d）為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對噪聲呈現高阻抗，而C1則對噪聲呈現低阻抗。當L1、L2采用共模電感結構時，對對稱和非對稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2（e）適用于共模噪聲進行濾波，應注意的是其接地阻抗同樣應盡量小。

　　圖3是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22μF -0.47μF。L3為共模電感，對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。

　　6 EMI濾波器選用與安裝

　　開關電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標“x”和“y”，不僅說明了它們在濾波網絡中的作用，還表明了它們在濾波網絡中的安全等級。無論是選用還是設計EMI濾波器，都要認真的考慮Cx和Cy的安全等級。在實際應用中，Cx電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會疊加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓。因此，要根據EMI濾波器的應用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合安全等級的Cx電容器。Cy電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼（E）之間的，對于220V、50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機械性能方面具有足夠的安全裕量，以避免可能出現的擊穿短路現象。

　　EMI濾波器是具有互異性的，即把負載接在電源端還是負載端均可。在實際應用中，為達到有效抑制EMI信號的目的，必須根據濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負載阻抗來選擇該濾波器的網絡結構和參數。當EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態時，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時，EMI信號會在其輸入和輸出端產生反射，增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關系為：A=–10Lg（1-|Γ|2）。

　　在使用開關電源濾波器時，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導線與輸出導線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將大大降低濾波器的抑制效果。

　　7 結語

　　在開關電源設計中，為了少走彎路和節省時間，應充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設計完成后去進行抗干擾的補救措施。

　　二、開關電源的穩定性設計

　　引言

　　眾所周知，任何閉環系統在增益為單位增益，且內部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環控制系統都會存在不穩定的可能性。因此幾乎所有的開關電源都有一個閉環反饋控制系統，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以內，那么控制環路將總是穩定的。當然，在現實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環路補償，這類相移同樣會導致開關電源的不穩定。

　　1 穩定性指標

　　衡量開關電源穩定性的指標是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB時所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應的增益大小（實際是衰減）。在實際設計開關電源時，只在設計反激變換器時才考慮增益裕度，設計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

　　在開關電源設計中，相位裕度有兩個相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現的動態過程；另一個作用是當元器件參數發生變化時，仍然可以保證系統穩定。相位裕度只能用來保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時，電源不可避免要進入“大信號穩定”范圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環路的相位裕度要求大于45°。在各種參數變化和誤差情況下，這個相位裕度足以確保系統穩定。如果負載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負載和輸入電壓下環路和相位裕度應大于30°。

　　如圖l所示為開關電源控制方框示意圖，開關電源控制環路由以下3部分構成。

　　（1）功率變換器部分，主要包含方波驅動功率開關、主功率變壓器和輸出濾波器；

　　（2）脈沖寬度調節部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大；

　　（3）采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大（如TL431）、誤差放大傳輸（如光電耦合器）和PWM集成電路內部集成的電壓比較器（這些放大器的補償設計最大程度的決定著開關電源系統穩定性，是設計的重點和難點）。

　　2 穩定性分析

　　如圖1所示，假如在節點A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測到真實系統對不斷增大的諧波有響應，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l且總的額外相移為180°（此相移加上原先設定的180°相移，總相移量為360°），那么將會有足夠的能量返回到系統的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開關電源在所有頻率下都保持穩定。

　　波特圖對應于小信號（理論上的小信號是無限小的）擾動時系統的響應；但是如果擾動很大，系統的響應可能不是由反饋的線性部分決定的，而可能是由非線性部分決定的，如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小、最大占空比等。當這些因素影響系統響應時，原來的系統就會表現為非線性，而且傳遞函數的方法就不能繼續使用了。因此，雖然小信號穩定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩定工作。因此，在設計電源環路補償時，不但要考慮信號電源系統的響應特性，還要處理好電源系統的大信號響應特性。電源系統對大信號響應特性的優劣可以通過負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性來判斷，負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性存在很強的連帶關系，負載躍變響應特性好，則輸入電壓躍變響應特性一定好。

　　對開關電源環路穩定性判據的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數隨著負載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會隨著負載電流而改變。此外，在考慮大信號瞬態的情況下，控制電路工作方式轉變為非線性工作方式，此時僅用線性分析將無法得到完整的狀態描述。下面詳細介紹通過對負載躍變瞬態響應波形分析來判斷開關電源環路穩定性。

　　3 穩定性測試

　　測試條件：

　　（1）無感電阻；

　　（2）負載變化幅度為10％~100％；

　　（3）負載開關頻率可調（在獲得同樣理想響應波形的條件下，開關頻率越高越好）；

　　（4）限定負載開關電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒有聲明負載電流大小和變化率的瞬態響應曲線圖形無任何意義。

　　圖3（a）為瞬變負載波形。

　　圖3（b）為阻尼響應，控制環在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種響應電源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定條件下才能穩定。因此，要盡量避免這種類型的響應，補償網絡也應該調整在稍低的頻率下滑離。

　　圖3（c）為過阻尼響應，雖然比較穩定，但是瞬態恢復性能并非最好。滑離頻率應該增大。

　　圖3（d）為理想響應波形，接近最優情況，在絕大多數應用中，瞬態響應穩定且性能優良，增益裕度和相位裕度充足。

　　對于正向和負向尖峰，對稱的波形是同樣需要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內有中心線，且在負載的增大和減少的情況下它們的擺動速率是相同的。

　　上面介紹了開關電源控制環路的兩個穩定性判據，就是通過波特圖判定小信號下開關電源控制環路的相位裕度和通過負載躍變瞬態響應波形判定大信號下開關電源控制環路的穩定性。下面介紹四種控制環路穩定性的設計方法。

　　4 穩定性設計方法

　　4．1 分析法

　　根據閉環系統的理論、數學及電路模型進行分析（計算機仿真）。實際上進行總體分析時，要求所有的參數要精確地等于規定值是不大可能的，尤其是電感值，在整個電流變化范圍內，電感值不可能保持常數。同樣，能改變系統線性工作的較大瞬態響應也是很難預料到的。

　　4．2 試探法

　　首先測量好脈寬調整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術”來確定補償控制放大器所必須具有的特性。

　　要想使實際的放大器完全滿足最優特性是不大可能的，主要的目標是實現盡可能地接近。具體步驟如下：

　　（1）找到開環曲線中極點過零處所對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入零點，那么在直到等于穿越頻率的范圍內相移小于315°（相位裕度至少為45°）；

　　（2）找到開環曲線中EsR零點對應的頻率，在補償網絡中相應的頻率周圍處引入極點（否則這些零點將使增益特性變平，且不能按照期望下降）；

　　（3）如果低頻增益太低，無法得到期望的直流校正那么可以引入一對零極點以提高低頻下的增益。

　　大多數情況下，需要進行“微調”，最好的辦法是采用瞬態負載測量法。

　　4. 3 經驗法

　　采用這種方法，是控制環路采用具有低頻主導極點的過補償控制放大器組成閉環來獲得初始穩定性。然后采用瞬時脈沖負載方法來補償網絡進行動態優化，這種方法快而有效。其缺點是無法確定性能的最優。

　　4．4 計算和測量結合方法

　　綜合以上三點，主要取決于設計人員的技能和經驗。

　　對于用上述方法設計完成的電源可以用下列方法測量閉環開關電源系統的波特圖，測量步驟如下。

　　如圖4所示為測量閉環電源系統波特圖的增益和相位時采用的一個常用方法，此方法的特點是無需改動原線路。

　　如圖4所示，振蕩器通過變壓器T1引入一個很小的串聯型電壓V3至環路。流入控制放大器的有效交流電壓由電壓表V1測量，輸出端的交流電壓則由電壓表V2測量（電容器C1和C2起隔直流電流的作用）。V2/V1（以分貝形式）為系統的電壓增益。相位差就是整個環路的相移（在考慮到固定的180°負反饋反相位之后）。

　　輸入信號電平必須足夠小，以使全部控制環路都在其正常的線性范圍內工作。

　　4．5 測量設備

　　波特圖的測量設備如下：

　　（1）一個可調頻率的振蕩器V3，頻率范圍從10Hz（或更低）到50kHz（或更高）；

　　（2）兩個窄帶且可選擇顯示峰值或有效值的電壓表V1和V2，其適用頻率與振蕩器頻率范圍相同；

　　（3）專業的增益及相位測量儀表。

　　測試點的選擇：理論上講，可以在環路的任意點上進行伯特圖測量，但是，為了獲得好的測量度，信號注入節點的選擇時必須兼顧兩點：電源阻抗較低且下一級的輸入阻抗較高。而且，必須有一個單一的信號通道。實踐中，一般可把測量變壓器接入到圖4或圖5控制環路中接入測量變壓器的位置。

　　圖4中T1的位置滿足了上述的標準。電源阻抗（在信號注入的方向上）是電源部分的低輸出阻抗，而下一級的輸入阻抗是控制放大器A1的高輸入阻抗。圖5中信號注入的第二個位置也同樣滿足這一標準，它位于圖5中低輸出的放大器A1和高輸入阻抗的脈寬調制器之間。

　　5 最佳拓撲結構

　　無論是國外還是國內DC／DC電源線路的設計，就隔離方式來講都可歸結為兩種最基本的形式：前置啟動+前置PWM控制和后置隔離啟動+后置PWM控制。具體結構框圖如圖6和圖7所示。

　　國內外DC／DC電源設計大多采用前置啟動+前置PWM控制方式，后級以開關形式將采樣比較的誤差信號通過光電耦合器件隔離傳輸到前級PWM電路進行脈沖寬度的調節，進而實現整體DC／DC電源穩壓控制。如圖6所示，前置啟動+前置PWM控制方式框圖所示，輸出電壓的穩定過程是：輸出誤差采樣→比較→放大→光隔離傳輸→PWM電路誤差比較→PWM調寬→輸出穩壓。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等產品都屬于此種控制方式。此類拓撲結構電源產品就環路穩定性補償設計主要集中在如下各部分：

　　（1）以集成電路U2為核心的采樣、比較電路的環路補償設計；

　　（2）以前置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環路補償設計；

　　（3）輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環路穩定性補償設計時僅供參考；

　　（4）其它部分如功率管驅動、主功率變壓器等，在隔離式電源環路穩定性補償設計時可以不必考慮。

　　而如圖7所示，后置隔離啟動+后置PWM控制方式框圖，輸出電壓的穩定過程是：輸出誤差采樣→PWM電路誤差比較→PWM調寬→隔離驅動→輸出穩壓。此類拓撲結構電源產品就環路穩定性補償設計主要集中在如下各部分：

　　（1）以后置PWM集成電路內部電壓比較器為核心的環路補償設計；

　　（2）輸出濾波器設計主要考慮輸出電壓／電流特性，在隔離式電源環路穩定性補償設計時僅供參考。

　　（3）其它部分如隔離啟動、主功率變壓器等，在隔離式電源環路穩定性補償設計時可以不必考慮。

　　比較圖6和圖7控制方式和環路穩定性補償設計可知，圖7后置隔離啟動+后置PWM控制方式的優點如下：

　　（1）減少了后級采樣、比較、放大和光電耦合，控制環路簡捷；

　　（2）只需對后置PWM集成電路內部電壓比較器進行環路補償設計，控制環路的響應頻率較寬；

　　（3）相位裕度大；

　　（4）負載瞬態特性好；

　　（5）輸入瞬態特性好；

　　（6）抗輻照能力強。實驗證明光電耦合器件即使進行了抗輻照加固其抗輻照總劑量也不會大于2x104Rad（Si），不適合航天電源高可靠、長壽命的應用要求。

　　6 結語

　　開關電源設計重點有兩點：一是磁路設計，重點解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩定性設計，重點解決的是輸出電壓的品質問題。開關電源穩定性設計的好壞直接決定著開關電源啟動特性、輸入電壓躍變響應特性、負載躍變響應特性、高低溫穩定性、生產和調試難易度。將上述開關電源穩定性設計方法和結論應用到開關電源的研發工作中去，定能事半功倍。

　　三、大功率開關電源散熱設計原理

　　1、散熱的原因

　　電子產品的芯片的高度集成，功能要求越來越多，體積要求越來越小。今天的元器件得以快速地向小型化。高功能。與高效率發展。高性能的元器件在高速度運行下會產生大量的熱，這些熱量必須立即去除以保證元器件能在正常工作溫度下以最高效率運行。因此熱傳導相關技術隨著電子工業的發展不斷地受到挑戰。

　　例如：電腦出現當機現象、LED散熱不良會引起光衰等等、

　　2、散熱材料種類：

　　金、銀、鐵、銅、鋁、鋁合金、硅膠片、等

　　3、散熱原理

　　A 散熱器的散熱形式主要有輻射和對流兩種形式。

　　輻射換熱：熱能用輻射形式傳播，不需要借助任何介質，可以在真空狀態下傳播，比如太陽的熱能經過宇宙傳到地球上。

　　對流換熱：通過空氣或其他介質傳播熱能，比如對流散熱器將空氣加熱。空氣將房間內一切物品加熱，對六器主要依靠空氣運動傳播熱能。

　　傳統意義上所稱的輻射散熱器，是指輻射散熱器在總散熱量中占相對份額的散熱器，目前通常最典型的輻射散熱器如鑄鐵、鋼制柱式散熱器、銅鋁復合散熱器等等，其中依靠輻射作用所傳播的熱能只占30%，另外70%熱能是以對流式傳播的。而對流散熱器是基本無輻射換熱（或極小）的散熱器，如佛瑞德銅管對流散熱器，銅管對流散熱器利用熱空氣輕，向上流動的原理，空氣循環達到全房間的升溫，比輻射式的散熱器更加舒適、升溫更快。

　　B、 散熱的方式有 輻射散熱 傳導散熱 對流散熱 蒸發散熱

　　機體各組織器官產生的熱量，隨著血液循環均勻地分布于全身各部。當血液流經皮膚血管時，全部熱量的90%由皮膚散出，因此皮膚是人體散熱的主要部位。還有一小部分熱量，通過肺、腎和消化道等途徑，隨著呼吸、尿和糞便散出體外。

　　（一）散熱的方式——主要是物理方式

　　1.輻射 輻射是指機體以發射紅外線方式來散熱。當皮膚溫高于環境溫度時，機體的熱量以輻射方式散失。輻射散熱量與皮膚溫、環境溫度和機體有效輻射面積等因素有關。在一般情況下，輻射散熱量占總散熱量的40%。當然，如果環境溫度高于皮膚溫，機體就會吸收輻射熱。煉鋼工人在爐前作業，炎熱的夏季農民在日照下田間勞動也會遇到這種情況。

　　2.傳導與對流 傳導就是機體通過傳遞分子動能的方式散發熱量。當人體與比皮膚溫低的物體（如衣服、床、椅等）直接接觸時，熱量自身體傳給這些物體。臨床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法給高熱病人降溫，就是利用這個原理。

　　C、 散熱器與環境的熱交換

　　當熱量傳到散熱器的頂部后，就需要盡快地將傳來的熱量散發到周邊環境中去，對風冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進行熱交換。這時，熱量是在兩種不同介質間傳遞，所依循的公式為Q=α X A X ΔT，其中ΔT為兩種介質間的溫差，即散熱器與周圍環境空氣的溫度差；而α為流體的導熱系數，在散熱片材質和空氣成分確定后，它就是一個固定值；其中最重要的A是散熱片和空氣的接觸面積，在其他條件不變的前提下，如散熱器的體積一般都會有所限制，機箱內的空間有限，過大會加大安裝的難度，而通過改變散熱器的形狀，增大其與空氣的接觸面積，增加熱交換面積，是提高散熱效率的有效手段。、要實現這一點，一般通過用鰭片式設計輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來增大表面積。

　　當熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會急速上升，這時候，熱空氣應該盡可能和周圍的冷空氣通過對流等熱交換方式來將熱量帶走，對風冷散熱器來說，最主要的手段便是提高空氣流動的速度，使用風扇來實現強制對流。這點主要和風扇的設計和風速有關，散熱器風扇的效能（例如流量、風壓）主要取決于風扇扇葉直徑、軸向長度、風扇轉速和扇葉形狀。風扇的流量大都采用 CFM為單位（英制，立方英尺/分鐘），一個CFM大約為0.028mm3/分鐘的流量。

　　純鋁散熱器

　　純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術，而評價一款純鋁散熱器的主要指標是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，Fin是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度（不含底座厚度）除以Fin，Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術越先進。

　　純銅散熱器

　　銅的熱傳導系數是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質地是個問題，很多標榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100％的銅。在銅的列表中，含銅量超過99％的被稱為無酸素銅，下一個檔次的銅為含銅量為85％以下的丹銅。目前市場上大多數的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質純銅散熱器的含銅量甚至連85％都不到，雖然成本很低，但其熱傳導能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點，成本高，加工難，散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的應用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機械加工（如剖溝等）性能不如鋁；銅的熔點比鋁高很多，不利于擠壓成形（ ExtrusiON ）等等問題。

　　雖然，目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金，鋁合金容易加工，成本低，是應用最多的材料，而銅較高的熱傳導系數，使得其瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。因此，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個致命的缺陷：由于只使用一種材質，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無法很好地均衡熱傳導能力和熱容量能力兩個方面的要求，在散熱要求較高的場合便未免有些力不從心了。

　　銅鋁結合技術

　　在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點后，目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導熱系數，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。

　　熱量從CPU核心散發到散熱片表面，是一個熱傳導過程。對于散熱片的底座而言，由于直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導開來。散熱片選用較高熱傳導系數的材料對提高熱傳導效率很有幫助。通過熱傳導系統對照表可以看出，如鋁的熱傳導系數237W/mK，銅的熱傳導系數則為401W/mK，而比較同樣體積的散熱器，銅的重量是鋁的3倍，而鋁的比熱僅為銅的2.3倍，所以相同體積下，銅質散熱器可以比鋁質散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。

　　不過，這兩種金屬的結合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產生較大的介面熱阻（即兩種金屬之間由于不充分接觸而產生的熱阻）。在實際設計和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚長避短，往往這也體現了廠商的設計能力與制造工藝。

　　4、導熱媒介-導熱硅膠。

　　a、什么是熱阻？

　　所謂“熱阻”（thermal resiSTance），是指反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。熱阻的概念與電阻非常類似，單位也與之相仿——℃/W，即物體持續傳熱功率為1W時，導熱路徑兩端的溫差。

　　b、空氣在自然界中的熱阻最大，其數值接近0.03W/mK；

　　c、填充發熱體和金屬散熱片之間的縫隙，減少空氣，使發熱體和散熱片呈現直接對流散熱。

　　d、導熱硅膠片也可以間接散熱，即裸露在外面、所以有散熱片的叫法。

　　5、散熱模組結構

　　最后發熱體+導熱硅膠+散熱片，構成了一個散熱設計的基本三明治結構，在整過過程中，我們都在和空氣打交道，實際上空氣層成了我們散熱學上最大的挑戰，不管我們是增大散熱器的面積，還是添加導熱介質，都是為了除去空氣層。

　　四、彩電開關電源的分析

　　目前在電器中使用最多的電源就是開關穩壓電源，彩電、平板電視、顯示器、D V D 等等，開關電源的故障率也是很高的，工作在大電流、高電壓、大功率狀態。

　　開關電源使用率高，有串聯型穩壓電源無法媲美的優越性

　　1 、效率高：開關型穩壓電源的調整管工作在開關狀態，因此，功耗很小，效率可大大提高，其效率通常可達80%～90% 左右。

　　2、重量輕：開關型穩壓電源常采用電網輸入的交流電壓直接整流，省去了笨重的工頻變壓器。

　　3、穩壓范圍寬：輸入交流電壓在80～260V 之間變化時，都能達到良好的穩壓效果，輸出電壓的變化在2% 以下，與此同時仍保持高效率。

　　4、安全可靠：在開關型穩壓電路中，具有各種保護電路。

　　5 、濾波電容容量小：由于開關信號頻率高，濾波電容的容量大大減小。

　　6、功耗小，機內溫升低：由于晶體管工作在開關狀態，不需采用大散熱器，機內溫升低，因此整機的可靠性和穩定性也得到一定程度提高。

　　開關電源工作狀態分析

　　開關電源按照負載與儲能電感的連接方式來分，通常有串聯型開關電源與并聯型開關電源大類，串聯型開關電源因電網電壓與主板地線不隔離的缺陷容易發生觸電事故，故目前絕大多數用并聯型開關電源，并聯開關電源主板地線不與電網相線相連，習慣上稱為“冷底盤電路”或稱為“冷機心”。目前用得最多的是自激式振蕩開關脈沖調寬式穩壓電源，有些引入了行同步功能。

　　圖1 工作原理示意圖

　　圖2 波形圖

　　從圖中可以看出只要控制了開關管的導通時間（也就是脈沖寬度，故叫脈寬調整）就控制了電感L1 充電時間，從而控制了負載的供電量，開關管工作在開關狀態，開關管在截止時電感L1會產生很高的自感電壓，相當于電源的整流以后電壓10陪，約有3000V左右，故要求開關管耐壓要高，且要求L1 有合適的RC 放電回路。

　　前10 年的彩電以三洋公司研發的A3電源居多，以分立元件為主，但目前的彩電是一塊IC 加一個開關管的形式，或直接就是一塊IC 厚膜的形式。

　　圖3是2007 年TCL 公司推出的2188F純平彩電的電源部分，用了一個IC ：

　　圖3

　　TDA16846 加一個開關管：場效應管BUZ91A 的形式，整個電路結構顯得比較簡單，這電路沒用光電耦合器做反饋。

　　彩電一般的開關電源是由振蕩電路、穩壓電路和保護電路三大部分組成。

　　1、振蕩電路：開關電源振蕩電路分為晶體管振蕩電路和集成塊振蕩電路，如STR-S？？系列IC，TEA2104、TDA4601、TDA4605、TDA2261、TDA16846 等等。

　　2、穩壓電路：開關電源的穩壓原理均采用脈沖調寬式的穩壓方式，即通過自動改變開關功率管的關閉和導通時間的比例，或通過改變振蕩器輸出脈沖的占空比來達到穩壓的目的。穩壓部分的電路由取樣、比較、控制三個部分組成，很多機芯此部分電路是采用IC（如SE110 等IC）和光耦件組合而成，而有些機芯則采用分立元件組成（多為國產機），而有些機芯采用的電源IC本身就集成了這部分電路（如部分串聯型開關電源IC）。

　　3 。保護電路：彩電開關電源都設有保護電路，其保護方式均是使電路停振。有過流保護、過壓保護和欠壓保護（短路保護），還有過熱保護。過流保護電路其過流取樣點，大部分電視機中都是在主振功率管的發射極電位上。過壓保護電路的取樣點一般取自220V交流經整流濾波后的電壓或主負載供電電壓，通過一個齊納二極管（穩壓管）來進行取樣判別。短路保護電路的取樣點一般在穩壓電源輸出的低壓組電源上，通過一個二極管來進行判別取樣，在IC 式開關電源中，有部分機采用的電源IC內部有“閂鎖電路”，這個“閂鎖電路”實際上是一個保護執行電路，各取樣點送來的信號，通過它執行對電路的停振控制。

　　開關電源的檢修

　　開關電源損壞后，大多都可獨立進行維修，將負載全部斷開，在主負載供電電源上帶一只2 2 V 、1 0 0 W 的燈泡做假負載，并采用低壓供電安全方式，即將供電電源經一自耦式變壓器降至70V 左右進行維修，這種維修方法完全避免了因電路存在隱患而再度損壞元件的現象，一般正常的開關電源（并聯式），在7 0 V 左右的供電電壓就能正常起振工作，慢慢調整自耦變壓器的輸出電壓，開關電源的輸出電壓都應固定在其預設的電壓值上不變，如果開關電源的輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化，則表明其穩壓部分有問題；如果沒有電壓輸出則表明震蕩電路部分有問題。

　　第一種情況：我們以并聯型光耦控制穩壓式開關電源為例，討論一下其維修方法。當開關電源不能正常穩壓時，第一步是要確認引起故障的部位，簡單快捷的方法是：將光耦件熱地端的兩控制腳短路，如果電路進入停振狀態，則表明故障在取樣比較電路，取樣比較電路有問題多半是比較IC 和光耦損壞所致（比較IC損壞多數會引起光耦件同時損壞），如果是控制電路問題，如控制晶體管損壞，在晶體管的代換上一定要注意晶體管的參數。

　　第二種情況：電路不起振。當確信供電電壓正常時，首先檢查啟動電阻（即跨接在311V 電源與主振功率管基極之間的電阻）是否開路或變值，另外要考慮到不起振是否是由于保護電路動作所引起，如S T R 6 3 0 9 的第6 腳電壓（正常為0 V ），STR50213 的第5 腳（正常時100V 左右），TEA2261 的第3 腳（正常為0V），TDA4601的第5腳等等，如果是保護電路引起停振可通過此點來進行判別，另外當控制電路有問題（如控制管擊穿）也會引起電路停振。

　　其實開關電源電路是比較簡單的電路，只要分清主振電路、保護電路和比較穩壓電路三者的連接關系，維修起來就容易了。

　　另外，開關電源的主振功率管因其集電極是感性負載，所以在主振管工作時，其集電極將要承受8～10 倍于電源的脈沖電壓，為此在電路上加入了吸收電路（并于振蕩變壓器初級繞組的電容和電阻串聯支路）和在主振管集電極與地之間并接的電容，這些元件的作用與行輸出級的逆程電容有相似的作用，當這些元件有問題時，極易損壞主振功率管，此點需引起注意，本人曾維修過一臺日立2518 的彩電，檢查發現其開關電源吸收電路的電容在溫度升高時，電容值會變小，從而引起經常損壞電源主振功率管的故障，開關管擊穿后通常會把前面的限流水泥電阻燒斷。