电气工程师开关电源问题简答

作为一个电气工程师，我们在电子电路设计当中不可或缺的都要用到电源！而开关电源对我们电路设计来说又是那么的重要！今天给大家带来开关电源问答！

问题一：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？

回答1：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

回答2：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

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?

回答1：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。

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?

回答1：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。

回答2：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。

回答3：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。

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?

回答1：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。

问题五： 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?

回答1：

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。

问题六：电源的元器件你懂多少?MOS管结电容多大，对哪些有影响?RDS跟温度是什么关系?肖特基反向恢复电流影响什么?电容的ESR会带来哪些影响?

回答1：电源中的设计的器件类型很多，主要有半导体器件如：MOS管，三极管，IC，运放，二极管，光耦等;磁性器件：电感，变压器，磁珠等;电容：Y电容，X电容，瓷片电容，电解电容，贴片电容等;每种器件都有其规格，极限参数。

常规的参数在我们选型很容易把握，例如选取MOS管，耐压参数肯定会考虑，额定电流也会考虑，导通电阻我们会考虑，但还有一些寄生参数以及一些随温 度变化特性的参数却很少去注意，或者只有在发现问题的时候才会去找。导通电阻Rds(on)随温度升高其阻值是变大的，设计MOS管损耗时要考虑到其工作 的环境温度。结电容影响到我们的开通损耗，也会影响到EMC。

肖特基二极管耐压，额定电流一般很好注意，有些参数例如导通压降在温度升高时会减小，反向恢复时间短，不过漏电流大(尤其是考虑到高温时漏电流影响就更大了)，寄生电感会引起关断尖峰很高。

电容一个重要参数ESR，在计算纹波时通常会考虑，ESR一般与C的关联是很大的，不过不同厂家的品质因素影响也是很巨大，一定要具体分清楚。一般估算公司可参考：ESR=10/(C的0.73次方)，电容在高温时寿命会缩短，低温时容量会减小，漏电流也会增加等等。