90%效率反激电源深究-电容电感篇

对于电源老鸟来说，接触的设计多了，就会形成一套自己的独特手法和习惯，随着经验的增长，这将形成一种良性的循环。而对于新手来说，寻找到一个合适的切入点都是比较困难的，更谈不上形成这种良性的循换了。但是这个阻碍新手进步的问题将被解决。本系列文章以反激电源设计为切入点，深究这种电源的设计手法并对其中的原理进行细致的讲解，对良好的设计习惯进行培养。

　　为了达到较为明显的演示效果，本篇文章当中使用的参数规格都是比较夸张的。输入要求：AC90～275V，输出5V～40A。 一个200W的反激式电源，（这么大的电源不一定能够通过EMC，因为漏感和反激式的工作模式问题使大功率反激式EMC比较难过）。 因为这个电源电压不高，电流大，次级整流的损耗大，估计按照此方法设计出来效率90%，一般输出电压越高的效率越好。

　　接下来说一下要用到的电源设计软件。

　　1.SMPS Cal： 这是一款电源计算工具，用来做综合评估，比如选择什么拓补结构，需要用多大磁芯，电容容量，电流有效值，峰值这些。先让自己心里有个大概。

　　2.saber 2007 这个是一款仿真软件，设计电源的时候用这个来仿真原理性问题，仿真的最多的是开环性仿真。

　　3.PExprt：这是一款ansys里面的变压器设计软件，比较好用，和实际的吻合度高。

　　本篇文章主要对电解电容进行讲解，并且使用saber来进行适当的辅助讲解。后期的难点将会是变压器部分。

　　芯片选用BO5269D，这款芯片频率是65K，我们先用工具来看下需要多大磁芯，因为没有特殊要求，用EE磁芯来设计这款电源。

　　计算出来是30000立方毫米，这个是参考设计，不是真正的定型，所以我们初选黄色标中的3款磁芯，自己心里面现在对磁芯有个大概的了解了。　　然后我们打开反激式算法面，输入相关参数，再来看看电路部分，变压器部分是个大概什么情况，让自己心里面对这款即将设计的电源有个了解。但是不是按照这个参数来设计，不然这个产品设计出来都不知道怎么死的。到这里，都是没什么技术含量的事情，但是却是整个设计的基础和宏观架构。

　　初级的电解电容是储能电容，用于在电源工作时提供能量，因此在市电正弦波上升的时候给电容充电，下降沿的时候靠电容给变压器提供能量。这时候就涉及到一个电容的波谷电压。电源就是通过这个波谷电压来选择电容容量的。

　　图1

　　通过波谷电压来算电容容量算是设计上的一种习惯，一般波谷电压取100V电压温升不会超过40度（温升是电容温度-室温）。但是也有选择70V甚至60V的，电容温度一般都跑到了90度以上（此处不是指温升）。波谷电压也是计算变压器的最小电压。基本上同一个电路电容波谷电压月底，电容温升越高。电解电容的寿命现在基本上都按照比标准温度降低10度，电容寿命增加一倍来估计电解电容寿命。实际工作中用这个方法是可行的。电容的计软结果：

　　Saber的仿真

　　现在用saber来仿真电容的ESR参数特性，目前只仿出来了电容的ESR滤波特性，先看理想电容的频率特性：

　　图2

　　图3

　　加入电容寄生电感后特性（包含PCB线路所产生的电感，设计时需要考虑），电容滤波就是靠这个特性的。后面会在仿真下数字电路和电源电路ESR的影响。

　　图4

　　图5

　　电容的ESR

　　电解电容的ESR数电和模电中的特性不多说，直接来说ESR在电源中展现出来的特性。在电源中ESR绝对不是正切值计算出来那么简单的，展现出来的特性是比较复杂的。还是用saber来把ESR的特性仿真出来。下面的图中给出理想电容仿真结果，以便对比。理想电容的波形是很漂亮的。

　　图6

　　图7

　　图8

　　图9

　　图10

　　图11

　　图10是整流二极管的电流特性，图11是ESR的仿真原理图，最后总结下ESR特性。

　　图12

　　另外，现在有些电源要测试连接电源时的冲击电流，660uf电容的冲击电流见图12，达到了90A，实际做方案的时候需要考虑做开机启动。

　　通过上面的仿真，总结出来电解电容在电源中特性：

　　二极管给电容充电时的损耗（主要是寄生电阻损耗）：从图12看出，市电在超过电解电容谷底电压时充电，充电电流集中在这一段区域，电流很大，频率低而且是正弦波，寄生电感可以忽略；

　　mos开启寄生电阻损耗：这个损耗就是在对变压器储能的时候，寄生电阻对电流损耗；

　　mos开启寄生电感储能损耗：这个损耗就是在对变压器储能的时候，整个回路的电感都会储能；

　　mos关断寄生电感能量释放：这个能量释放会产生噪音，影响EMC，所以很多电源电解电容旁边并联个麦拉电容吸收这个能量；

　　所以电解电容在电源中叫滤波电容是针对市电而言的，对变换器来讲，电容却变成了一个损耗器件并会产生谐波。关于整流二极管的损耗，这里顺便说一下，0.7V是指PN结的门槛电压，不是指二极管导通的时候总电压，两边的硅半导体依然有其电阻率，所以二极管的电压是0.7V+I^2R（R为引脚电阻和硅半导体电阻）。因此选用电流更大的二极管其寄生电阻更小（因为硅半导体宽度变宽）。

　　至于saber的仿真，其实是在仿真例子电源。5V40A做到90%效率难度是高的，所以必须的掌控好电源的每一个细节才能做到。只要把器件的寄生参数设计的合理，整个电源的效率在仿真阶段就可以检讨了。

　　在对高效率设计不断地追求过程中，其实更多的是在寻找一种全新的设计手法，重视从实际产品入手，凭借经验逐步进行调试来完成设计。这样的设计方式比死磕书本和用公式推算来的有效率，并且随着技术的发展，在未来将有更多的工具诞生来辅助我们进行设计和定位。