开关电源设计举例 - 经典指南：你真的了解开关电源吗？

　　开关电源设计举例

　　设计一个标准的多输出电源：

　　稳态设计规格：

　　1、输入电压范围：85 ~ 264 VAC

　　2、输出#1：5V/50A

　　输出#2：3.3V/40A 满足：I1 + I2 《= 55A

　　输出#3：12V/12A

　　输出#4：-12V/4A

　　3、输出电压纹波：

　　4、模块满载效率：≥70%

　　5、输入功率因数：0.99TYP

　　6、电压调整率：≤+-1%

　　7、负载调整率：输出#1 ≤+-0.5%，其它输出 ≤+-3%

　　8、模块几何尺寸：长 * 宽 * 高

　　9、模块环境温度：-20 ~ 50摄氏度

　　10、温度系数：≤0.02%

　　11、输出保持时间：16ms

　　设计必须实现的功能：

　　1、全范围内的正常开关机

　　2、全范围内的输出稳压且满足各项电性能指标

　　3、实现规格书要求的自动保护

　　4、输出#1 ~ 输出#3的输出并联均流

　　5、输出#1和输出#2的远端补偿

　　6、实现规格书的安全要求

　　7、实现规格书的EMI要求

　　8、实现规格书的热插拔要求

　　9、实现规格书的MTBF要求

　　10、实现规格书的成本要求

　　11、实现规格书的通断逻辑功能要求

　　开关电源设计优化

　　当我们设计完成一个开关电源以后，只是大致实现了其功能和指标，还需要进行各种优化。

　　1、功率级参数的优化

　　在选定功率级拓扑后，可利用前面的知识和稳态工作点选择对功率参数进行优化，使得：

　　---开关功率器件的损耗最小

　　---功率变压器和滤波器电感，滤波电容等的体积最小

　　---电源整机的功率密度最高

　　---功率级的Layout最合理等等

　　在这些优化中，最重要的是功率变压器的优化，其变比，其绕法都会直接影响其他功率元器件的选择和整个功率级的效率及功率密度。合理地选择功率开关器件和它们的驱动电路及吸收电路，对功率级的性能也很重要。

　　2、环路参数的优化

　　在选定功率级拓扑和控制策略后，可利用前面的知识在功率级参数优化的基础上，对环路参数进行优化，使得：

　　---尽量减小闭环电压音频隔离度，从而减小PFC滤波电容

　　---尽量减小闭环输出阻抗，从而减小DC输出滤波电容

　　在环路优化中，最重要的是补偿器参数，调制器参数（如外部斜波补偿含量）和光耦电路参数的优化。其中，电源整机的PCB Layout对环路的影响非常大，只有在好的PCB Layout下面，通过环路各部分参数的优化，才能使电源环增益的带宽尽可能大，从而实现更好的动态性能和更高的功率密度。

　　3、辅助电源参数的优化

　　在采用绕组供电的开关电源产品中，必须对辅助电源的质量进行优化，使得：

　　---辅助电源对开关电源稳态性能的影响最小

　　---辅助电源对开关电源动态性能的影响最小

　　---辅助电源不会影响开关电源整机的可靠性

　　采用变压器绕组或电感绕组的辅助电源，其输出电压的质量一般不太好，通过对辅助电源的优化，要保证自供电后的电源整机性能变化最小，可靠性没有问题。

　　4、其他优化

　　---电源内各种保护电路的优化

　　---EMI滤波器电路的优化

　　---电源内部热环境的优化

　　---电源其他功能电路（如：均流、同步、热插拔、远端补偿等等）的优化

　　---PCB Layout的优化等等

　　开关电源设计折中

　　设计开关电源是个充满矛盾的过程，鱼和熊掌不可得兼，需要平衡折中各种指标，这个火候的掌握和拿捏需要大量经验。前面谈了优化，现在谈折中，有时反而需要减少优化程度，真是奇妙啊！

　　1、稳态性能与动态性能的折中

　　很多功率级拓扑，其稳态性能与动态性能通常难以兼顾，稳态性能好，动态性能就差，动态性能好，稳态性能就差。这种例子非常多，所以选择拓扑时，一定要根据要求和应用场合来合理选择。

　　即使同一个拓扑，其功率级参数设计时，也要考虑稳态性能和动态性能的折中。如：输出滤波器电感的设计，对效率而言，希望其越大越好，但对动态性能而言，则希望其小一点好，所以设计时需要折中。

　　2、功率密度与可靠性的折中

　　很多有更高功率密度的拓扑，其实现时会比较复杂，而且往往拓扑本身还有可靠性较低的隐患，所以，选择拓扑结构时也要根据可靠性和性能来进行具体折中。如一些实现软开关的拓扑，一般可实现更高的开关频率，具有更高的功率密度，但他们在实现的产品中，可靠性往往较低。

　　3、小信号性能与大信号性能的折中

　　在一个电源中，有很多性能需要满足，利用不同的控制策略，不同的补偿电路会得到不同的动态性能。有些控制策略或参数对输入端的扰动具有较强的抑制能力，有些则对负载端的扰动具有较强的抑制能力，有的参数对小信号动态稳定性很好，但在大信号下，其可能不稳定，有的参数能满足大信号的要求，但小信号下其会变差，因此，要对大小信号的动态设计进行折中。

　　4、高低温下的设计折中

　　在一个电源中，因各种参数都是与其工作时的温度有关，所以必须找出一组参数能在全部环境温度范围内满足所有性能指标，这需要做很多折中。

　　5、电性能与热性能之间的折中

　　在一个电源中，电性能（如电应力和EMI性能）与热性能之间的要求是矛盾的。为了获得好的EMI和低的电应力，希望功率元器件的回路尽量小，但这会使得各元器件之间的热影响更厉害，各元器件的损耗会更大。将各功率元器件之间的回路加大，可减小这种热影响，改善热设计，但因寄生参数的增加，会使器件的电应力增加，效率变低，EMI性能变坏，所以，电源中热与电两个设计是非常需要折中的。

　　6、关键部件的折中

　　在开关电源中，有一些关键部件，在设计时需要折中。如：功率变压器的设计，对稳态效率性能而言，在变比等已经最优化后，希望其漏感最小，但在实现漏感最小的同时，往往会增加绕组之间的分布电容，这通常会增加共模EMI干扰和降低安全性。

　　另外，如驱动能力的折中。为了减小功率开关器件（MOSFET）的开关损耗，希望其开关过程尽量短，这可通过减小门级驱动电阻来实现，但在开关速度提高的同时，往往会增加电源的共模EMI，使得EMI特性变差。

　　7、其他折中

　　做好一个开关电源，还有很多其他折中要做，总之，因为开关电源是一个在一定边界（由输入电压、负载电流和环境温度组成的长方体）之内，满足规格书要求的功率电子产品，既有功率处理和信息处理，又有热处理，所以，为了做好这样的产品，必须要做很多很多的折中。这要求开发人员了解如何在折中的基础上优化，在优化的基础上折中，使开发的电源产品达到最佳的性价比。