开关电源原理与设计（中）

1、开关电源的电磁兼容性设计上网时间：2008-09-29 作者：粱凯 熊腊森 姚高尚 简虎 来源：电源技术应用中心论题： 传统电源的优劣性能。 开关电源的电磁干扰源。 电磁兼容性设计的介绍。 解决方案： 根据反馈回路信息控制开关的开合调整占空比获得稳定电源输出。 采用适当的emi滤波器抑制共模骚扰。 通过缓冲和钳位的方法克服反向尖峰电流和尖峰电压。 新接地技术分离噪声源和敏感电路。 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。早年的线性稳压电源因其优良的稳压性能、非常小的输出纹波电压等优点而获得了广泛的应用。但是其必须使用笨重的工频变压器与

2、电网进行隔离，并且调整管功率损耗大，致使电源体积和重量大，效率低下。开关电源采用更高开关频率的功率管替代工频变压器，并且采用软开关、功率因数补偿等技术使得其体积小，重量轻，效率更高，在中、小功率的市场已经代替了线性稳压电源的地位。但是，干扰问题却随之而来。由于开关电源的工作频率比较高(几十到几百khz)，开关电源本身又是一个很强的功率源，因此，开关电源对电网会造成污染。开关电源向周围空间的辐射骚扰、开关电源对同一电网中其他用电设备的高频传导干扰等电磁兼容方面的问题成了阻碍开关电源进一步推广发展的绊脚石。20世纪90年代中期以来，世界各国从保护环境和保护人的身体健康出发，先后发展了强制性产品认证

3、，电子和电气产品的电磁兼容性问题受到了制造商和消费者的高度重视，产品的电磁兼容性也成了产品进入世界市场大门的通行证，而开关电源的电磁兼容性更是首当其冲。因此，只有在电源设计的过程中，严格地进行电磁兼容性设计才能保证生产出满足电磁兼容性要求的合格产品，使产品能够在世界各国市场畅通无阻，被消费者接受。电磁兼容(emc)是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。其包括电磁干扰(emi)和电磁敏感(ems)两方面的内容。emi是指电器产品向外发出干扰。ems是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备应既不受周围电磁噪声的影响，也

4、不对周围环境造成电磁干扰。电磁干扰的三个要素是干扰源、耦合途径和敏感设备。因此，电磁兼容性设计的任务就可以概括为：削弱干扰源的能量，隔离和减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁骚扰的抵抗能力。本文以电动冲击钻的充电电源电路设计过程为例，讨论开关电源的电磁干扰源和电磁兼容性设计内容。开关电源的电磁干扰源本电源采用美国power integrate(pi)公司topswitch gx246y集成电源模块。该模块将高电压功率mosfet、脉宽调制控制、故障保护以及其他的控制电路集成在单片cmos芯片上，属于低成本、高灵活性的智能功率开关，具有如下突出特点：(1)外部可编程精确限流；(2)更宽的占空比使得输

5、出功率更大，输入电容减小；(3)具有欠压、过压保护功能；(4)输入电压前馈技术缩小了最大占空比dmax，抑制了脉动纹波，并在输入线电压较高时限制dmax；(5)频率抖动功能减少了电磁干扰以及相应的滤波器损耗；(6)l32 khz的开关频率减少了变压器的尺寸，从而减小了电源的尺寸；(7)空载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，降低了能量损耗。利用pi公司提供的pi expert软件做成的电源模块结构图如图1所示。该电路首先将工频电流整流成为直流，再通过高频变压器把原边的电压耦合到副边，输出+18v/3a的电压和电流。topswitch gx246y根据反馈回路信息控制开关的开合，调整占空比

6、，使电源获得稳定可靠的输出。此电路产生电磁干扰的最基本原因是其在工作的过程中产生了非常高的di/dt和du/dt。所产生的浪涌电流和尖峰电压形成了强烈干扰源。工频整流滤波使用大容量电容充、放电，开关管高频通断，输出整流二极管的反向恢复都是属于这种类型干扰。另外，开关管的驱动波形，mosfet漏源波形等开关电源中的电压、电流波形都是接近矩形波形状的周期波，因此，其频率都是mhz级别的，这些高频信号对开关电源的基本信号，特别是控制电路的信号造成干扰。a 输入整流电路的电磁干扰在输入电路中，整流桥4个整流管(图1中的emirectify部分)只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电压时才能导通，电流才从

7、市电电源输入，并对滤波电容充电。一旦滤波电容上的电压高于市电电源的瞬时电压，整流管便截止。所以，输入电路的电流是脉冲性质的，并且有着丰富的高次谐波电流。这是因为整流电路的非线性特性，整流桥交流侧的电流严重失真。忽略换流过程和电流脉动的影响，整流电路交流侧输入电流in的第n次谐波电流的幅值inm可表示为inm=ilm，式中：n=2kl(k=l，2，3)；ilm为基波电流幅值，于是交流侧电流in可表示为而直流侧的谐波次数是n倍。所以，整流电路直流侧高次谐波电流不仅使电路产生畸变功率，增加电路的无功功率，而且高频谐波会沿着传输线路产生传导干扰和辐射干扰，危害电网安全。b开关电路 开关管负载为高频变压

8、器初级线圈，是感性负载。在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端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从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减震荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。如果尖峰有足够高的幅度，那么很有可能把topwitch gx246y内的开关管击穿。c 高频变压器初次级之间分布电容引起的共模传导骚扰高频变压器是开关电源中实现能量储存、隔离、输出、电压变换的重要部件，可惜的是它的漏感和分布电容对电路的电磁兼容性性能带来不可忽略的影响。漏感的影响在开关电路的电磁

9、干扰问题上已经讨论。共模干扰是一种相对大地的干扰，所以不会通过变压器“电生磁和磁生电”的机理来传递，而必须通过变压器绕组间的耦合电容来传递。而在开关电源的高频变压器初次级之间存在着分布电容是个不争的事实。用一个装置电容(装置对地的分布电容)来与整个开关电源等效，就得到了如图2所示的干扰通道。共模干扰通过变压器的耦合电容，经过装置电容再返回大地，就得到一个由变压器耦合电容与装置电容构成的分压器。共模电压就按照分压器中电容量的大小来分压，分到的电压为式中：z为绕组间的耦合阻抗；z2为负载对地的等效阻抗；e1为初级干扰(共模电压)；e2为次级干扰(共模电压)。脉冲变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成

10、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。d 副边整流电路输出开关电源工作时，副边整流电路的高速恢复二极管也处于高频通断状态。由高频变压器次级线圈、整流二极管和滤波电容也构成了高频开关电流的环路。因此，同样有可能对空间形成电磁辐射。当二极管正向导通时，在p区和n区分别有少数载流子电子和空穴导电，当突然加反向电压时，储存电荷在反向电场作用下被复合，形成反向恢复电流，尽管电流非常小，但是这个转变过程非常短暂，因此，di/dt相当可观，就会在副边整流电路中形成高频衰减振荡。它会对外界形成差模辐射，甚至导致整流二极管被击穿。电磁兼容性设计开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式

11、，根据前面分析的电磁干扰源，结合它们的耦合途径，可以从emi滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰，把电磁干扰衰减到允许限度之内。a 采用交流输入emt滤波器采用适当的emi滤波器，可以很有效地抑制交流电源输入端的低频段差模骚扰和高频段共模骚扰。在emi滤波器(如图3所示)中，差模电容cx用来短路差模噪声电流，而中间连线接地的共模电容cy则用来短路共模噪声电流。共模扼流圈l(电感)是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成。当负载电流流过共模扼流圈时，串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。因此，即使在大负载电流的情况下

12、，磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。b 利用吸收及箝位电路开关管或二极管在开通和关断过程中，管中产生的反向尖峰电流和尖峰电压，可以通过缓冲和钳位的方法予以克服。缓冲吸收电路可以减少尖锋电压的幅度和减少电压波形的变化率，这对于半导体器件使用的安全性非常有好处。与此同时，缓冲吸收电路还降低了射频辐射的频谱成分，有益于降低射频辐射的能量。箝位电路主要用来防止半导体器件和电容器被击穿的危险。兼顾箝位电路保护作用和开关电源的效率要求，tvs管的击穿电压选择为初级绕组感应电压的1.5倍。根据topswitch的使用指导，选择r

13、cd和tvs结合的方式来抑制电磁干扰，如图4所示。当tvs上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将浪涌电压的幅值限制在一定的幅度。在开关管漏极和输出二极管的正极引线上可串联带可饱和磁芯线圈或微晶磁珠，材质一般为钴(co)，当通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小。一旦电流要反向流过时，它将产生很大的反电势，这样就能有效地抑制二极管d2的反向浪涌电流。c 屏蔽措施及变压器的绕制在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感越大，产生的尖峰电压幅值愈高，漏极箝位电路的损耗就越大，这必然导致电源效率降低。减小漏感可以采取以下措施：(1)减少原边绕组的匝数；(2)增大绕组的宽度；(

14、3)增加绕组的高、宽比；(4)减小各绕组之问的绝缘层；(5)增加绕组之间的耦合程度。屏蔽是抑制开关电源辐射骚扰的有效方法，而隔离变压器是共模噪声的另一个主要来源。如图5所示，变压器主要的寄生参数为：漏感lk，绕组间电容cr，交叉耦合电容ctc变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过整个系统提供了通路。在变压器的绕制过程中采用法拉第屏蔽(faraday shield)来减小交叉耦合电容。法拉第屏蔽简单来说就是用铜箔或铝箔包绕在原边绕组和副边绕组之间，形成一个静电屏蔽层隔离区，并接地，其中原边绕组和副边绕组如图6所示交错绕制，以减小交叉耦合电容。图6中n1a、n1b是原边绕组，分两次绕；n2a、n

15、2b是副边绕组；n3、n4分别是辅助绕组；screen为铜箔屏蔽。安规上一般要求散热器接地，那么开关管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声提供了通路，可以在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。d 接地技术开关电源同样也需要重视地线的连接，地线承担着参考电平的重任，特别是控制电路的参考地，如电流检测电阻的地电平和无隔离输出的分压电阻的地电平。控制信号的地电平误差应尽可能的小，因此，采用控制部分一点接地，然后将公共连接点再单点接至功率地。这种接地方式可以使噪声源和敏感电路分离。另外，地线尽量铺宽，对空白区域可敷铜填满，力求尽量降低地电平误差和emi。另外，在装置中尽量采用表面贴

16、装元器件，使组装密度更高，体积更小，重量更轻，可靠性更高，高频特性好，减小电磁和射频干扰。e pcb元件布局及走线开关电源的印制电路板设计也是解决开关电源电磁兼容性问题的一个至关重要的方面。在设计中采用了以下措施保证电磁兼容性。(1)把交流的输入滤波部分，高压整流和滤波部分，高频逆变部分，低压整流输出部分从左到右依次排列布局，使信号方向保持一致，便于生产中检修、调试，并且可以减少信号的环路，使印制电路板的平面与磁力线相平行，这样交变磁场就不会切割印制电路板平面内的导线，减少电磁干扰。并且把控制电路和功率电路分开，中间采用铝板隔离，防止干扰信号骚扰控制电路。(2)尽可能地缩小高频大电流电路所包围

17、的面积，缩短高电压元器件的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰，特别是易受干扰的元器件不能彼此靠得很近。(3)缩小控制电路所包围的面积。因为，这部分电路是开关电源中最敏感的部分。缩小其面积，实际上就是减小了干扰“接收天线”的尺寸，有利于降低对外部干扰的响应能力，提高开关电源的电磁兼容性。(4)有脉冲电路流过的区域远离输出端子，使噪声源于直流输出部分分离；交流输入部分尽量远离输出部分，以避免由于相互间靠得太近，通过线路间的耦合，将原本“干净”的输出由于受到输入部分的电磁骚扰发射而受“污染”。(5)topswitch gx246y的漏极连接到变压器和箝位二极管的连接线尽量简短，因为连接线

18、上有很高的开关电压，会引起附加的共模电磁干扰的发射。试验结果经过以上电磁兼容性设计，开关电源的输出电压调整率v0/v0=o.12/12=l，达到了预期设计要求。图7是纹波电压输出图，图8是其工作时的噪音分析图。结语如今，开关电源体积越来越小，功率密度越来越大，eml/emc问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素，也是最容易忽视的一个方面。实践证明，emi问题越早考虑，越早解决，费用越小，效果越好。随着各国电磁兼容性标准的加强，电磁兼容性设计在开关电源设计过程中的位置也愈加重要，因此，必须充分重视电磁兼容性设计的作用和重要性。开关电容稳压器上网时间：2008-09-30 作者：美国国家半导体 a

19、run rao 来源：电子产品世界中心论题： 开关稳压器和低压降稳压器减少对核处理器电压供应。 提高降压转换器效率的方法。 利用开关电压器来调节输出电压。 解决方案： 双相位中的堆叠电容器和并行电容器提高效率。 通过两相位间的交替变化取得一个增益。 拓朴技术通过被动元件的更小值来达到更低的噪声。当今移动电话产业日益增长的趋势是要减少对核处理器电压供应，同时要满足达到更高效率以扩展电池寿命的要求。越来越多应用都要求降压转换，如应用处理器、存储器和rf块设计都被列在其中。根据负载和空间参数，目前，用于这个应用空间的两个最流行的解决方案是开关稳压器和低压降(ldo)稳压器。从效率的角度看，一个开关稳

20、压器就是最佳的选择。然而，当部件高度和解决方案的尺寸限度超出了电感器的使用范围时，一个转换器可能会采用ldo(低压降)或开关电容稳压器的形式。多数时候电源解决方案都不能提供较多的板上空间，一个开关转换器就会有一个比ldo和开关电容稳压器更大的解决方案尺寸。图1将典型的开关稳压器与lm2770(一个典型的开关电容稳压器)在解决方案尺寸上进行比较。我们可以看到显示出来的开关电容器的解决方案尺寸大约为45mm2，当所要求的电压与电池电压相近的时候ldo的工作效率是最高的，但当电压的偏离值很远时，ldo效率就会很低。想象一下以一个充电至3.6v的li-ion电池，为一个仅要求1.5v电压的微处理器供电

21、。把电池电压与一个1.5v ldo相连接可为微处理器产生一个稳定和小的电流，但是功耗是相当显著的。ldo消耗功率(pd)等于负载电流(iload)与输入和输出电压的差相乘(pd = iload *(3.6-1.5) = iload *2.3v)。换句话说，ldo作为一个降压转换器在这个例子中仅产生42%的效率。这意味着ldo不得不消耗剩余功率，而且这能引起裸片温度的一个大的增高，这个温度进而可能会引起可靠性的问题。由于具有电压增益的关系，一个开关电容稳压器是比线性稳压器更有效的解决方案，这个电压增益是通过在双相位(充电相位和传输相位)中的堆叠电容器和并行电容器所取得的输入电压与输出电压比率。例

22、如：位于增益配置中的一个开关电容转换器的1/2将把一个3.6v的输入电压(vin)转变为1.8v的输出电压(vout)。如果要求的电压(vout)是1.5v，那么功耗仅为300mv与负载电流的乘积。这相当于83%的效率。随着vin的增长，由转换器产生的vin和vout 间的增量增长引起功率消耗的增长和效率的下降。解决这个问题的一个方式是转变成一个更高的效率增益，就像给汽车替换齿轮一样。图2显示了一个开关电容器降压稳压器，一个ldo及一个开关电容器的效率曲线。开关电容器具有一个模拟增益控制和增益变化以保持一个给定负载效率的持续性。开关电容器并具有离散增益步骤，由vout/(增益 *vin)与离散

23、增益来决定效率的高低。一个ldo仅有1的增益及三者中最低的效率。开关电容器(sc)稳压器则有三个不同的电压增益(2/3，1/2和1/3)。我们可以看到，开关电容稳压器随着vin 的增长，电压增益从2/3转到1/2以及从1/2到1/3，因此整个负载范围的效率达到最大化。这就带来了在li-ion 范围上(3.4v到3.8v)80%的效率。在相同应用中的一个ldo仅能达到50%的效率。根据电感器种类，一个典型的开关稳压器大约具有88-90%的效率。传统上，一个稳压器是要根据有效数量来进行比较。然而，由于li-ion 电池的自身特性，根据时间权重效率或者“需要多长时间才能让li-ion充分放电？”来进

24、行比较会更加有用。我们的经验显示在200ma的负载下，使用一个典型开关稳压器的li-ion 电池可以比使用开关电容稳压器的li-ion 电池耐用达6%-8%。假设最大负载仅表现为时间的20%到30%(微处理器的情况)，那么在感应开关和开关电容稳压器间的运行时间上的差别是可以忽略的。开关电容稳压器的更多增益可能会增加一点点效率，但是却要增加更多外部电容器和内部功率fet，从而增加成本，同时也加大了解决方案的尺寸。上述的增益可以通过两个外部电容器或快速电容器(cfly)来取得。这些电容器用于存储电荷并将电荷从vin 传输到 vout。除了快速电容(cfly) ，我们还需要一个输入电容器(cin)，

25、和一个输出电容器(cout)，输入电容器(cin)指示出电压纹波，而输出电容器(cout)控制输出电压纹波。根据vin 和 vout 可接受的纹波取值，cin 和cout 的典型值范围是从1mf 到10mf 。cfly 的数量通常比cout 少。外部电容器(cfly)通过内部的功率fet在不同的配置中连接到芯片。图3显示出2/3, 1/2和1增益的不同配置。电容器c1和c2是快速电容器或cfly。cin和cout已被删除以达到简化目的。如图所示，一个增益通过两相位间的交替变化来取得，其中包括充电相位或普通相位和放电相位。在不同的增益之间具有一个共同相位以便在增益间达到完美跃迁。我们可以通过共同

26、相位，根据需要随时进行增益跃迁。一个开关电容稳压器在芯片上可能有一个到2个功率fet。然而，一个开关电容稳压器可能在芯片上任何位置设有4个到9个或者更多的功率fet(根据离散电压增益的数量)。这就限制了在既定的裸片尺寸下，开关电容稳压器的输出电流性能。图4在开关、开关电容器和线性稳压器间的负载性能、效率和尺寸上进行了比较。要利用一个开关电容稳压器来调节输出电压，我们可以使用脉冲频率调制(pfm)或脉冲宽度调制(pwm)。任何开关电容稳压器的输出阻抗都与开关频率和内部功率fet的电阻成比例。通过调制输出阻抗，我们便可以利用转换器对既定负载进行降压。通过使用回馈，我们能控制频率(pfm)或内部fe

27、t(pwm)的阻抗以调节输出电压。pfm方案是一个更传统的方法，其缺陷在最近的pwm类架构中被列出来。在pfm类系统中，可以感应到输出电压，当这个电压高于一个指定值时，稳压器就会关闭，等到输出电压降到所需值以下时再重新开启。使用pfm控制模式的缺点是工作频率取于vin 和 iload ，因此变化不定。负载越高、工作频率就越接近指定频率。这个操作范围上的频率变化在一些便携式应用中可能不大合适。输入电压纹波也取决于vin 和 iload。图5显示了250ma 和 30ma 负载的输出纹波。10mf cout 的输出纹波将为50mv，我们可以看到250ma负载的纹波频率高于10ma负载的纹波频率。比

28、较新的pwm调控模式处理了pfm架构中的各种频率和高输出纹波。大多数的新型开关电容稳压器都采用pwm调制模式。在这种模式下，功率fet的电阻根据vout 和 iload进行控制。这样做，我们就真正控制了快速电容器(cfly)所提供的充电量。这也被称为预调制。在这种模式下，操作频率和工作周期都是固定的。一个pwm架构的例子是lm2771，图6显示出它的输出纹波。它处于一个带有4.7mf cout 的8mv -10mv的顺序中。我们可以看到在iload变化的情况下纹波可以持续。一个9mv的纹波输出可以与在感应开关稳压器中的纹波相媲美。开关电容稳压器是种新兴技术，它结合了开关电容器和ldo的主要特性

29、，也就是将在li-ion 范围上的高效率和小尺寸结合到一个适用于便携式应用的简易解决方案中。最近拓朴技术的发展也使其通过被动元件的更小值来达到更低的噪声。在便携式器件中的许多功能要求一个降压稳压器，更小的解决方案尺寸和更高的效率，这个开关电容稳压器解决方案正是一个理想的解决方案。开关电源技术发展的十个关注点上网时间：2008-10-06 来源：电子市场中心议题： 介绍开关电源技术的三个发展阶段 详细列举开关电源技术发展的十个关注点解决方案： 采用碳化硅sic作为功率半导体器件晶片 使开关电源小型化的三个办法是高频化、应用压电变压器、采用新型电容器 开发和应用软开关技术，提高开关电源的效率上世纪

30、60年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和scr相控电源。40多年来，开关电源技术有了飞迅发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。功率半导体器件从双极型器件(bpt、scr、gto)发展为mos型器件(功率mosfet、igbt、igct等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。自上世纪80年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。上世纪90年代中期，集成电力电子系统和集成电力电子模块(ipem)技术

31、开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。关注点一：功率半导体器件性能1998年，infineon公司推出冷mos管，它采用超级结(super-junction)结构，故又称超结功率mosfet。工作电压600v800v，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。igbt刚出现时，电压、电流额定值只有600v、25a。很长一段时间内，耐压水平限于1200v1700v，经过长时间的探索研究和改进，现在igbt的电压、电流额定值已分别达到3300v/1200a和4500v/1800a，高压igbt单片耐压已达到6500v，一般igbt的

32、工作频率上限为20khz40khz，基于穿通(pt)型结构应用新技术制造的igbt，可工作于150khz(硬开关)和300khz(软开关)。igbt的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同，igbt在20年历史发展进程中，有以下几种类型：穿通(pt)型、非穿通(npt)型、软穿通(spt)型、沟漕型和电场截止(fs)型。碳化硅sic是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工作温度高(可达600)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、pn结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应

33、用的新型功率半导体器件材料。关注点二：开关电源功率密度提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备(如移动电话，数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有：一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高pwm变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的电压-振动变换和振动-电压变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。三是

34、采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻esr小、体积小等。关注点三：高频磁与同步整流技术电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其

35、效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流sr技术，即以功率mos管反接作为整流用开关二极管，代替萧特基二极管(sbd)，可降低管压降，从而提高电路效率。关注点四：分布电源结构分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等的电源，其优点是：可实现dc/dc变换器组件模块化;容易实现n+1功率冗余，提高系统可*性;易于扩增负载容量;可降低48v母线上的电流和电压降;容易做到热分布均匀、便于散热设计;瞬态响应好;可在线更换失效模块等。现在分布电源系统有两种结构类型，一是两级结构，另一种是三级结构。关注点五：pfc变换器由于ac/dc变换电路的输入

36、端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.60.65。采用pfc (功率因数校正)变换器，网侧功率因数可提高到0.950.99，输入电流thd小于10%。既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正apfc单相apfc国内外开发较早，技术已较成熟;三相apfc的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。一般高功率因数ac/dc开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率ac/dc开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别高时，将pfc变换器和后级dc/d

37、c变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数ac/dc开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级即s4pfc变换器。关注点六：电压调节器模块vrm电压调节器模块是一类低电压、大电流输出dc-dc变换器模块，向微处理器提供电源。现在数据处理系统的速度和效率日益提高，为降低微处理器ic的电场强度和功耗，必须降低逻辑电压，新一代微处理器的逻辑电压已降低至1v，而电流则高达50a100a，所以对vrm的要求是：输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、快速响应等。关注点七：全数字化控制电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段

38、。全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。但是过去数字控制在dc/dc变换器中用得较少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确;可以实现快速，灵活的控制设计。关注点八：电磁兼容性高频开关电源的电磁兼容emc问题有其特殊性。功率半导体开关管在开关过程中产生的di/dt和dv/dt，引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场(通常

39、是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的emi及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性，再加上emi测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交*科学的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。近几年研究成果表明，开关变换器中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪音越大。关注点九：设计和测试技术建模、仿真和cad是一种新的设计工具。为仿

40、真电源系统，首先要建立仿真模型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等，还要考虑开关管的热模型、可*性模型和emc模型。各种模型差别很大，建模的发展方向是：数字-模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。电源系统的cad，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、emi设计和印制电路板设计、可*性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的cad，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是21世纪仿真和cad 技术的发展方向之一。此外，电源系统的热测试、emi测试

41、、可*性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。关注点十：系统集成技术电源设备的制造特点是：非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可*性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可*性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块的研究开发，使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。 实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引

42、线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。上世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模块(ipem)。ipem将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装，得到标准的，可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。总之，电源系统集成是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。开关电源抗干扰的措施上网时间：2008-10-13 作者：朱丽娟周旋 来源：中国电磁兼容网中心议题： 介

43、绍屏蔽技术和接地技术 讨论印制电路板的抗干扰设计解决方案： 采用屏蔽方法，抑制开关电源电磁干扰 采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，隔离交流电源地线的干扰 用脉冲变压器和线性光电耦合器隔离数字电路与模拟电路信号，提高整个电路的电磁兼容性 印制电路板的抗干扰设计与布局、布线有关开关电源一般采用脉冲宽度调制技术，其特点是频率高、效率高、功率密度高。然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰源，它产生的电磁干扰直接危害着电子设备的正常工作，为了确保开关电源工作的可靠性，必须进行抗干扰设计。抗干扰措施包括屏蔽、接地、pcb板的布局与布线等，这里仅对屏蔽、接地、p

44、cb板的布局与布线这几种抗干扰措施进行分析讨论。屏蔽技术抑制开关电源电磁干扰的有效方法是屏蔽。即用导电良好的材料对电场进行屏蔽，用导磁率高的材料对磁场进行屏蔽。用电磁屏蔽的方法解决emi问题的好处是不会影响电路的正常工作。屏蔽技术可分为对发出电磁波部位的屏蔽和易受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，使其电磁波产生衰减。对抗电磁波较弱的元器件，必要的情况下也应采取相应的屏蔽措施。接地技术a.接地。接地技术是开关电源抗干扰技术和电磁兼容技术的重要内容之一。不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环

45、路干扰等。为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作，根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类。b.交流地与直流地分开。一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外，交流电源的零线上往往存在很多干扰如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此，在开关电源中采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。c.模拟地与数字地分开。随着数字开关电源的开发，为了抑制对数字芯片的干扰，数字芯片与模拟电路必须进行隔离。在数字开关电源中，常用脉冲变压器和线性光电耦合

46、器进行数字电路与模拟电路信号的隔离，以提高整个电路的电磁兼容性。d.功率地与弱电地分开。功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其他弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。印制电路板的抗干扰设计 a.元器件的布局。为了减少噪声的产生和防止由于噪声所引起的误动作， 在进行元器件的布局时，应该注意以下几点：应该根据印制板的安装方式，把易发热的元器件如稳压器、功率开关器件、变压器等安装在印制板的上方部位， 以利于散热；热敏元件应远离发热元件。应尽量将相互关联的元器件摆放在起以避免因器件离得太

47、远而造成印制线过长所带来的干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离；脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源与出口分离。应将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。b.印制板布线抗干扰的措施。印制电路板的抗干扰设计不仅与布局有关，而且与布线也有相当大的关系。开关电源pcb抗干扰设计布线的原则：根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线、接地线宽度，减少环路阻抗；同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力；在装配密度很高的印制电路板时，多采用多层板，可使印制导线的直流电阻r和自感l减小，从而减小印制导线的特性阻

48、抗；在双面板设计中，除尽量加粗电源线和地线的线条外，还应该在电源线和地线之间留出一定的空间，以便安装高频特性好的去耦电容。控制回路与输出回路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引出天线作用，建议不要采用大面积接地方式。相邻电路之间不应该有过长的平行线，走线尽量避免平行。如果在设计印制电路板时平行走线无法避免，可在两条平行的信号线之间加一条地线，以起屏蔽作用。尽量拉开两条平行的信号线之间的距离，以降低两线之间电磁场的影响，使两条平行的信号线上流过的电流方向相反。电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。由于开关电源在体积、重量和效率等方面的优点，已广泛应用于各个领域。但电磁干扰对电子和电

49、气设备的工作有较大影响。可以采取多种手段抑制干扰，有效地提高开关电源的电磁兼容性，使其得到更广泛的应用。 开关电源的emc设计中心议题： 分析开关电源电磁干扰的各种产生机理 提出开关电源的电磁兼容设计方法解决方案： 在开关控制电源输入部分加入缓冲电路，消除电力线干扰、电快速瞬变等干扰 在开关电源输入和输出电路中加装emi滤波器，抑制传导发射 屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施 增大干扰源与敏感线路的间距，降低干扰水平开关电源因体积小、功率因数较大等优点，在通信、控制、计算机等领域应用广泛。但由于会产生电磁干扰，其进一步的应用受到一定程度上的限制。本文将分析开关电源电磁干扰的各种产生机理，并

50、在其基础之上，提出开关电源的电磁兼容设计方法。开关电源的电磁干扰分析开关电源的结构如图1所示。首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，最后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源。 图1 ac/dc开关电源基本框图内部干扰源开关电路开关电路主要由开关管和高频变压器组成。开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。当原来导通的开关管关断时，高频变压

51、器的漏感产生了反电势e=-ldi/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。整流电路的整流二极管输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生很大的电流变化di/dt，产生较强的高频干扰，频率可达几十兆赫兹。杂散参数由于工作在较高频率，开关电源中的低频元器件特性会发生变化，由此产生噪声。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，而分布电容成为电磁干扰的通道。外部干扰源外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰，而电源干扰以“共模”和“差模”方式存在。同时，由于交流电

52、网直接连到整流桥和滤波电路上，在半个周期内，只有输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低(大约为0.6)。而且，该电流含有大量电流谐波分量，会对电网产生谐波“污染”。开关电源的emc设计产生电磁干扰有3个必要条件：干扰源、传输介质、敏感设备，emc设计的目的就是破坏这3个条件中的一个。针对于此，主要采取的方法有：电路措施、emi滤波、屏蔽、印制电路板抗干扰设计等。1 降低开关损耗和开关噪声的软开关技术软开关是在硬开关基础上发展起来的一种基于谐振技术或利用控制技术实现的在零电压/电流状态下的先进开关技术。软开关的实现方法是：在原电路中增加小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引

53、入谐振，消除电压、电流的重叠。图2给出了一种使用软开关技术的基本开关单元。图2 降压斩波器中的基本开关单元减小干扰源干扰能量的缓冲电路在开关控制电源的输入部分加入缓冲电路(见图3)，其由线性阻抗稳定网络组成，用于消除电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压高低变化和电力线谐波等潜在的干扰。缓冲电路器件参数为d1为mur460，r1=500，c=6nf，l=36mh，r=150。 图3 缓冲电路切断干扰噪声传播路径的emi滤波在开关电源输入和输出电路中加装emi滤波器，是抑制传导发射的一个很有效方法。其参数主要有：放电电阻、插入损耗、cx电容、cy电容和电感值。其中，插入损耗是滤波器性能的一个关键参数

54、。在考虑机械性能、环境、成本等前提下，应该尽量使插入损耗大一些。用共模、差模干扰的测量结果与标准限值，加上适当的裕量可得到滤波器的插入损耗il。ilcm(db)=vcm(db)-vlimt(db)-3(db)+m(db) (1)ildm(db)=vdm(db)-vlimt(db)-3(db)+m(db) (2)式中，3db表示在分离共模、差模传导干扰的测试过程中测试结果比实际值大3db;m(db)表示设计裕量，一般取6db;vlimit(db)为相关标准如cispr,fcc等规定的传导干扰限值。图4是220v/50hz交流输入的开关电源交流侧emi滤波器的电路。cy=3300pf，l1、l2=

55、0.7mh，它们构成共模滤波电路，抑制0.530mhz的共模干扰信号。cx=0.1f，l3、l4=200500h，采用金属粉压磁芯，与l1/l2、cx构成l-n端口间低通滤波器，用于抑制电源线上存在的0.15 0.5mhz差模干扰信号。r用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。 图4 开关电源交流侧emi滤波器电路图5是开关电源的直流输出侧滤波电路，它由共模扼流圈l1、l2，扼流圈l3和电容c1、c2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒磁芯。 图5 支流侧滤波电路用屏蔽来抑制辐射及感应干扰开关电源干扰频谱集中在30mhz以下的频段，直径r75%（典型值）7、线性调整率：0.5%8、负载调整率：1%9、纹波及噪声：1%v。10、输出保持时间：20ms（220vac，典型值）11、启动时