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电源设计

更新时间:2021-04-23 04:01:56下载pdf

本文介绍 AC-DC 非隔离电源方案在硬件设计开发时需要了解的相关信息。

适用范围

AC-DC 非隔离电源方案是以高集成度的恒压控制芯片为核心,再由少量的外围电路组成的一种精简的小功率非隔离开关电源方案。该方案一般支持 Buck,Boost 和 Buck-Boost 等拓扑结构中的一种或多种,其中的恒压控制芯片一般都内嵌高压 MOS,支持过流保护、欠压保护和短路保护等功能。

常见的拓扑结构

BUCK 拓扑结构

特点
非隔离电路、直接反馈、低功耗、输出正电压。
电源设计

BUCK-BOOST 拓扑结构

特点
非隔离电路、直接反馈、低功耗、输出负电压。
电源设计

BOOST 拓扑结构

特点
非隔离电路、直接反馈、低功耗、输出正电压。
电源设计

电路设计注意事项

芯片参数

参数 说明
MOS 管的耐压和内阻 耐压值明确 MOS 管工作时 DS 间所承受的最大电压值,超过该电压,会造成 MOS 管的损坏。MOS 管的内阻直接影响芯片的发热,同输出功率情况下,内阻越大,芯片的发热越大。
芯片工作频率 人耳可听到的音频频域在 2KHz~20KHz,设计时电源的工作频率尽量避开这个频率段或通过一些手段降低噪声。因为一些电源电路设计的不合理会导致电源工作在 20KHz 频率内,而电感在这个频率内充放电时,可能会出现啸叫声。
静态功耗 无负载情况下,电源本身消耗的功耗。
输出电流能力 可分为不连续模式和连续模式下的输出电流能力。
峰值限流值或短路保护电流值 选型时,该参数值应该大于负载的最大峰值电流要求。

输入电容

示例如上文图中所示的 C1 和 C2。为了减少噪声,选型时,建议选择电解电容,同时还需要关注耐压值和容量。

参数 说明
耐压值 应该大于最高输入电压值时,最高的直流母线电压值。
容量 如果前级是半波整流,推荐容量按 3uF/W 选取;如果前级是全波整流,推荐容量按 (1.5~2)uF/W 选取。由于芯片设计差异,优先参考原厂提供的电容参数。
母线电压 最低的直流母线电压值应满足电源芯片正常工作的最低工作电压值。电路设计时,为了对 EMC 有所改善,母线电压端建议选择由电容和电感组成的 π 型的滤波网络。

功率电感

示例如上文图中所示的 L2。可根据电源芯片的规格书合理选择参数。
若使用工字电感做功率电感时,电感的位置尽量远离输入端,以免开关频率以辐射的方式耦合到输入端,造成产品的 EMC 超标。

续流二极管

示例如上文图中所示的 D1。
目前一些芯片采用同步整流架构,方案里就省去了续流二极管,外围电路更为简洁。

参数 说明
反向耐压值 需要大于最高的直流母线电压值(BUCK 电路和 BUCK-BOOST 电路适用)。
通流能力 通流能力需要满足负载的最大输出电流值的 2 倍及以上。
反向耐压值 反向恢复时间直接影响电源的转换效率,所以需要选择快恢复二极管,且反向恢复时间推荐选择 35ns。

反馈二极管

示例如上文图中所示的 D2。与续流二极管需要选择快恢复二极管不同,反馈二极管需要选择慢管,如 1N400x 系列的二极管,但需要保证续流二极管和反馈二极管的正向压降值保持一个水平。

输出电容

示例如上文图中所示的 C5。用于平滑输出电压值,推荐选用陶瓷电容或低ESR的电解电容,可以降低输出电压的纹波。

反馈电阻

示例如上文图中所示的 R1,R2。可根据修改阻值比调节输出的电压值。一般规格书里都有推荐的阻值或阻值范围,建议在推荐的阻值范围内调整阻值。

抗浪涌性能

  • 可选择保险电阻(绕线电阻)替代保险丝,可提高抗浪涌性能,阻值越大,效果越好,但相应需要的功率越大。
  • 可增大输入电容的容量,容量越大,效果越好,但电容的尺寸和价格也相应增加。
  • 增加压敏电阻保护器件。

PCB 设计

PCB 设计对电源工作的可靠性,EMI 性能和热特性有明显影响,因此,以下罗列了一些常见设计注意事项,可供参考。

  • PCB layout 环路 1 和环路 2 面积尽量小。

    • 环路1:输入电容 C2 > 电源 IC > 功率电感 L2 > 输出电容 C5 > 地回路。
      电源设计
    • 环路2:从续流二极管D1 > 功率电感L2 > 输出电容C5 > 地回路。
      电源设计
  • 在满足环路面积尽量小的前提下,功率电感 L2 尽量远离母线上的π型滤波电路和输入端口。
    电源设计

  • 反馈电阻 R 和 R2 靠近芯片引脚放置。

  • 芯片的旁路电容靠近芯片引脚放置。

  • 在 BUCK 和 BUCK-BOOST 转换电路中,DRAIN 是主电源 DC 定点,可以在电流主回路走线上增加敷铜面积来改善电源散热,提高电源性能;SOURSE 是电源的开关动点,可以尽量缩短 SOURSE 和功率电感间的线径来改善 EMI 的特性。

电源相关测试项目及指标

电气性能测试

序号 测试项目 测试条件 测试指标
1 MOS 管耐压应力 在以下条件中,测试 Vds 的最大电压值。
  • 电压:最低输入电压、最高输入电压、正常工作电压
  • 负载:空载、半载、满载
测量值小于标称值的 0.9 倍。
2 功率电感的电流应力 在以下条件中,测试电感的充放电电流波形。
  • 电压:最低输入电压、最高输入电压、正常工作电压
  • 负载:空载、半载、满载
电感没有进入磁饱和状态。
3 电性能参数 在以下条件中,测量输出电压值及其纹波和电源转换效率。
  • 电压:最低输入电压、最高输入电压、正常工作电压
  • 负载:空载、半载、满载
满足设计需求。
4 动态响应 在以下条件中,观察输出电压波形。
  • 电压:正常工作电压
  • 负载:空载和满载两个状态快速切换
电压波形波动在允许范围内。
5 输出电压上升时间 在以下条件中,观察输出电压波形。
  • 电压:正常工作电压
  • 负载:空载和满载两个状态快速切换
电压波形上升时间满足负载正常启动。
6 器件温升 在以下条件中,测试各器件的温度,重点关注发热器件、功率电感和电解电容。
  • 电压:最低输入电压、最高输入电压、正常工作电压
  • 环境温度:最高工作温度
  • 负载:满载
器件温度在标称温度范围内,电解电容需要通过温度值换算电容寿命,保证满足工作寿命要求。

可靠性测试

序号 测试项目 测试条件 测试指标
1 器件温升 在以下条件中,测试各器件的温度,重点关注发热器件、功率电感和电解电容。
  • 电压:最低输入电压、最高输入电压、正常工作电压
  • 环境温度:最高工作温度
器件温度在标称温度范围内,电解电容需要通过温度值换算电容寿命,保证满足工作寿命要求。
2 短路试验 在正常工作电压条件下,输出短路,通电 24 小时。 从短路中恢复后,仍能正常工作。
3 开关试验 反复通断输入电压 2 万次。 从通断中恢复后,仍能正常工作。
4 老化试验 小批量产品,放入高温环境中通电老化。 产品全部正常。

EMC 及安规测试

序号 测试项目 测试条件 测试指标
1 传导测试 根据标准测试 符合标准限值
2 辐射测试 根据标准测试 符合标准限值
3 雷击浪涌测试 根据标准测试 产品正常
4 静电测试 根据标准测试 产品正常

特殊说明

对于一些WiFi,蓝牙等类型设备,具有平均电流低,瞬时电流高的特性。

  • 建议电源设计时,需要关注这些设备的瞬时电流是否达到电源芯片的峰值限流点或限流保护值。如果达到,可能会引起电源保护,导致电源不断重启–保护或输出电压塌陷等现象。
    对于负载设备的瞬时电流值和电源芯片的峰值限流点的数值很相近的情况下,我们可以同时一些测试验证电源输出的稳定。

    • 测试方式1:通过电子负载的动态负载设置模拟这些设备的电流特性,经过电气性能测试项目中的动态响应测试,观察输出电压是否有异常。
    • 测试方式2:将这些设备负载设置在最严苛的状态,通电观察输出电压是否有异常。
    • 改进方式:
      • 更换峰值限流点高的电源方案。
      • 通过适当增加输出电容的容值,通过大容量电容来补充瞬时–峰值电流输出;但容值选取时,需要考虑容量对电源的输出电压上升时间的影响。
  • 需要关注这类负载在重载和轻载状态反复切换时,在一些电源应用中会产生人耳可听到的电流啸叫声。
    改进方式:

    • 优化电源参数。
    • 更换更优的电源方案。