工程师不可不知的开关电源关键设计（六）

牵涉到开关电源技术设计或分析成为电子工程师的心头之痛已是不争的事实，推出《工程师不可不知的开关电源关键设计》系列六和工程师们一起分享，请各位继续关注后续章节。

　　一、理想24VDC-220VDC车载开关电源设计方案

　　摘要：为了适应车载用电设备的需求，采用推挽逆变-高频变压-全桥整流方案设计了24VDC输入-220VDC输出、额定输出功率600W的DC-DC变换器，并采用AP法给出了高频推挽变压器的设计过程。在详细分析推挽逆变工作原理的基础上，给出了实际设计中的注意事项。实验结果表明该方案是一种理想的车载DC-DC变换器设计方案。

　　随着现代汽车用电设备种类的增多，功率等级的增加，所需要电源的型式越来越多，包括交流电源和直流电源。这些电源均需要采用开关变换器将蓄电池提供的+12VDC或+24VDC的直流电压经过DC-DC变换器提升为+220VDC或+240VDC，后级再经过DC-AC变换器转换为工频交流电源或变频调压电源。对于前级DC-DC变换器，又包括高频DC-AC逆变部分、高频变压器和AC-DC整流部分，不同的组合适应不同的输出功率等级，变换性能也有所不同。推挽逆变电路以其结构简单、变压器磁芯利用率高等优点得到了广泛应用，尤其是在低压大电流输入的中小功率场合；同时全桥整流电路也具有电压利用率高、支持输出功率较高等特点，因此本文采用推挽逆变-高频变压器-全桥整流方案，设计了24VDC输入-220VDC 输出、额定输出功率600W的DC-DC变换器，并采用AP法设计相应的推挽变压器。

　　1、推挽逆变的工作原理

　　图1给出了推挽逆变-高频变压-全桥整流DC-DC变换器的基本电路拓扑。通过控制两个开关管S1和S2以相同的开关频率交替导通，且每个开关管的占空比d均小于50%，留出一定死区时间以避免S1和S2同时导通。由前级推挽逆变将输入直流低电压逆变为交流高频低电压，送至高频变压器原边，并通过变压器耦合，在副边得到交流高频高电压，再经过由反向快速恢复二极管FRD构成的全桥整流、滤波后得到所期望的直流高电压。由于开关管可承受的反压最小为两倍的输入电压，即2UI，而电流则是额定电流，所以， 推挽电路一般用在输入电压较低的中小功率场合。

　　

　　当S1开通时，其漏源电压 uDS1只是一个开关管的导通压降，在理想情况下可假定 uDS1=0，而此时由于在绕组中会产生一个感应电压，并且根据变压器初级绕组的同名端关系，该感应电压也会叠加到关断的S2上，从而使S2在关断时承受的电压是输入电压与感应电压之和约为2UI.在实际中，变压器的漏感会产生很大的尖峰电压加在S2 两端，从而引起大的关断损耗，变换器的效率因受变压器漏感的限制，不是很高。在S1和S2 的漏极之间接上RC缓冲电路，也称为吸收电路，用来抑制尖峰电压的产生。并且为了给能量回馈提供反馈回路，在S1和S2 两端都反并联上续流二极管FWD。

　　2、开关变压器的设计

　　采用面积乘积（AP）法进行设计。对于推挽逆变工作开关电源，原边供电电压UI=24V，副边为全桥整流电路，期望输出电压UO=220V，输出电流IO=3A，开关频率fs=25kHz，初定变压器效率η=0.9，工作磁通密度Bw=0.3T.

　　（1）计算总视在功率PT.设反向快速恢复二极管FRD的压降：VDF=0.6*2=1.2V

　　

　　

　　

　　

　　3、推挽逆变的问题分析

　　3.1能量回馈

　　主电路导通期间，原边电流随时间而增加，导通时间由驱动电路决定。

　　图2（a）为S1导通、S2关断时的等效电路，图中箭头为电流流向，从电源UI正极流出，经过S1流入电源UI负极，即地，此时FWD1不导通；当S1关断时，S2未导通之前，由于原边能量的储存和漏电感的原因，S1的端电压将升高，并通过变压器耦合使得S2的端电压下降，此时与S2并联的能量恢复二极管FWD2还未导通，电路中并没有电流流过，直到在变压器原边绕组上产生上正下负的感生电压。如图2（b）；FWD2导通，把反激能量反馈到电源中去，如图2（c），箭头指向为能量回馈的方向。

　　

　　3.2各点波形分析

　　当某一PWN信号的下降沿来临时，其控制的开关元件关断，由于原边能量的储存和漏电感的原因，漏极产生冲击电压，大于2UI，因为加入了RC缓冲电路，使其最终稳定在2UI附近。

　　

　　当S1的PWN 信号下降沿来临，S1关断，漏极产生较高的冲击电压，并使得与S2并联的反馈能量二极管FWD2导通，形成能量回馈回路，此时S2漏极产生较高的冲击电流，见图4。

　　

　　4、实验与分析

　　4.1 原理设计

　　图5为简化后的主电路。输入24V 直流电压，经过大电容滤波后，接到推挽变压器原边的中间抽头。变压器原边另外两个抽头分别接两个全控型开关器件IGBT，并在此之间加入RC吸收电路，构成推挽逆变电路。推挽变压器输出端经全桥整流，大电容滤波得到220V直流电压。并通过分压支路得到反馈电压信号UOUT。

　　

　　以CA3524芯片为核心，构成控制电路。通过调节6、7管脚间的电阻和电容值来调节全控型开关器件的开关频率。12、13 管脚输出PWM脉冲信号，并通过驱动电路，分别交替控制两个全控型开关器件。电压反馈信号输入芯片的1管脚，通过调节电位器P2给2管脚输入电压反馈信号的参考电压，并与9管脚COM端连同CA3524内部运放一起构成PI调节器，调节PWM脉冲占空比，以达到稳定输出电压220V的目的。

　　4.2 结果与分析

　　实验结果表面，输出电压稳定在220V，纹波电压较小。最大输出功率能达到近600W，系统效率基本稳定在80%，达到预期效果。其中，由于IGBT效率损耗较大导致系统效率偏低，考虑如果采用损耗较小的MOSFET，系统效率会至少上升10%~15%.

　　注意事项：

　　（1） 变压器初级绕组在正、反两个方向激励时，由于相应的伏秒积不相等，会使磁芯的工作磁化曲线偏离原点，这一偏磁现象与开关管的选择有关，原因是开关管反向恢复时间的不同》 可导致伏秒积的不同。

　　（2）实验中，随着输入电压的微幅增高，系统损耗随之增大，主要原因是变压器磁芯产生较大的涡流损耗，系统效率有所下降。减小涡流损耗的措施主要有：减小感应电势，如采用铁粉芯材料；增加铁心的电阻率，如采用铁氧体材料；加长涡流所经的路径，如采用硅钢片或非晶带。

　　

　　5、结论

　　推挽电路特别适用于低压大电流输入的中小功率场合，并利用AP法设计了一种高频推挽变压器。实验结果表明推挽逆变-高频变压-全桥整流的方案达到了预期的效果，使输出电压稳定在220V并具有一定的输出硬度，效率达到80%，为现代汽车电源的发展提供了一定的发展空间。

二、开关电源保护电路的研究

　　1引言

　　评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。

　　2 防浪涌软启动电路

　　开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸［4］。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。防浪涌软启动电路通常有晶闸管保护法和继电器保护法两大类。

　　（1） 晶闸管保护法

　　图1是采用晶闸管V和限流电阻R1组成的防浪涌电流电路。在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（D1～D4）和限流电阻R1对电容器C充电，限制浪涌电流。当电容器C充电到约80%额定电压时，逆变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻R1，开关电源处于正常运行状态。

　　

　　图1采用晶闸管和限流电阻组成的防浪涌电流电路

　　（2）继电器保护法

　　

　　图2是采用继电器K和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路。电源接通瞬间，输入电压经整流（D1～D4）和限流电阻R1对滤波电容器C1充电，防止接通瞬间的浪涌电流，同时辅助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K线包的电容器C2充电，当C2上的电压达到继电器K的动作电压时，K动作，其触点K1.1闭合而旁路限流电阻R1，电源进入正常运行状态。限流的延迟时间取决于时间常数（R2C2），通常选取为0.3～0.5s。为了提高延迟时间的准确性及防止继电器动作抖动振荡，延迟电路可采用图3所示电路替代R2C2延迟电路。

　　3 过压、欠压及过热保护电路

　　进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流能力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。

　　温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明［5］，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升50℃时的工作寿命只有温升25℃时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。

　　

　　图4　 过压、欠压、过热保护电路

　　图4是仅用一个4比较器LM339及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。取样电压可以直接从辅助控制电源整流滤波后取得，它反映输入电源电压的变化，比较器共用一个基准电压，N1.1为欠压比较器，N1.2为过压比较器，调整R1可以调节过、欠压的动作阈值。N1.3为过热比较器，RT为负温度系数的热敏电阻，它与R7构成分压器，紧贴于功率开关器件IGBT的表面，温度升高时，RT阻值下降，适当选取R7的阻值，使N1.3在设定的温度阈值动作。N1.4用于外部故障应急关机，当其正向端输入低电平时，比较器输出低电平封锁PWM驱动信号。由于4个比较器的输出端是并联的，无论是过压、欠压、过热任何一种故障发生，比较器输出低电平，封锁驱动信号使电源停止工作，实现保护。如将电路稍加变动，亦可使比较器输出高电平封锁驱动信号。

　　4 缺相保护电路

　　由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，开关电源有时会出现缺相运行的情况，且掉相运行不易被及时发现。当电源处于缺相运行时，整流桥某一臂无电流，而其它臂会严重过流造成损坏，同时使逆变器工作出现异常，因此，必须对缺相进行保护。检测电网缺相通常采用电流互感器或电子缺相检测电路。由于电流互感器检测成本高、体积大，故开关电源中一般采用电子缺相保护电路。图5是一个简单的缺相保护电路。三相平衡时，R1～R3结点H电位很低，光耦合输出近似为零电平。当缺相时，H点电位抬高，光耦输出高电平，经比较器进行比较，输出低电平，封锁驱动信号。比较器的基准可调，以便调节缺相动作阈值。该缺相保护适用于三相四线制，而不适用于三相三线制。电路稍加变动，亦可用高电平封锁PWM信号。

　　

　　图5　三相四线制的缺相保护电路

　　图6是一种用于三相三线制电源缺相保护电路，A、B、C缺任何一相，光耦器输出电平低于比较器的反相输入端的基准电压，比较器输出低电平，封锁PWM驱动信号，关闭电源。比较器输入极性稍加变动，亦可用高电平封锁PWM信号。这种缺相保护电路采用光耦隔离强电，安全可靠，RP1、RP2用于调节缺相保护动作阈值。

　　

　　图6 三相三线制的缺相保护电路

　　5 短路保护

　　开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件［6］。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率 过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。

　　为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。

　　在短路电流出现时，为了避免关断电流的 过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。

　　在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大（比如7.5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2μs下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小（比如5V以下），降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。

　　为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。下面是几种IGBT短路保护的实用电路及工作原理。

　　（1）利用IGBT的Vce设计过流保护电路

　　

　　图7　 采用IGBT过流时Vce增大的原理进行保护

　　图7是利用IGBT过流时Vce增大的原理进行保护的电路，用于专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能很好地完成降栅及软关断，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极电压监视脚6，而是经快速恢复二极管VD1，通过比较器IC1输出接至EXB841的脚6，其目的是为了消除VD1正向压降随电流不同而异，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。如果发生过流，驱动器EXB841的低速切断电路慢速关断IGBT，以避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。

　　（2）　利用电流传感器设计过流保护电路

　　

　　图8　利用电流传感器进行过流保护

　　图8（a）是利用电流传感器进行过流检测的IGBT保护电路，电流传感器（SC）初级（1匝）串接在IGBT的集电极电路中，次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端，与反相端的基准电压进行比较，IC1的输出送至具有正反馈的比较器IC2，其输出接至PWM控制器UC3525的输出控制脚10。不过流时，VAVref，VB为高电平，C3充电使VC》Vref，IC2输出高电平（大于1.4V），关闭PWM控制电路。因无驱动信号，IGBT关闭，而电源停止工作，电流传感器无电流流过，使VA参数，使PWM驱动信号关闭时间t2》》t1，可保证电源进入睡眠状态。正反馈电阻R7保证IC2只有高、低电平两种状态，D5，R1，C3充放电电路，保证IC2输出不致在高、低电平之间频繁变化，即IGBT不致频繁开通、关断而损坏。

　　（3）　综合过流保护电路

　　图9是利用IGBT（V1）过流集电极电压检测和电流传感器检测的综合保护电路，电路工作原理是：负载短路（或IGBT因其它故障过流）时，V1的Vce增大，V3门极驱动电流经R2，R3分压器使V3导通，IGBT栅极电压由VD3所限制而降压，限制IGBT峰值电流幅度，同时经R5C3延迟使V2导通，送去软关断信号。另一方面，在短路时经电流传感器检测短路电流，经比较器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压，V2导通进行软关断。

　　此外，还可以应用检测IGBT集电极电压的过流保护原理，采用软降栅压、软关断及降低工作频率保护技术的短路保护电路［7、8］，这里不作祥细介绍了，有兴趣的读者请参考文献［1］。开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收技术指标时，应对保护功能进行验证。

　　开关电源的保护方案和电路结构具有多样性，但对具体电源装置而言，应选择合理的保护方案和电路结构，以使得在故障条件下真正有效地实现保护。

　　

　　图9　　综合过流保护电路

　　6 结束语

　　开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能，但在恶劣环境及意外事故条件下，保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收技术指标时，应对保护功能进行验证。

　　开关电源的保护方案和电路结构具有多样性，但对具体电源装置而言，应选择合理的保护方案和电路结构，以使得在故障条件下真正有效地实现保护。

　　开关电源保护电路设计完成后，必须先对开关电源进行老化实验，再验证各种保护电路的功能。

　　三、开关电源的稳定性设计

　　引言

　　众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定。

　　1 稳定性指标

　　衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小（实际是衰减）。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。

　　在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。

　　如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3部分构成。

　　（1）功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器；

　　（2）脉冲宽度调节部分，主要包含PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大；

　　（3）采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大（如TL431）、误差放大传输（如光电耦合器）和PWM集成电路内部集成的电压比较器（这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点）。

　　

　　2 稳定性分析

　　如图1所示，假如在节点A处引入干扰波。此方波所包含的能量分配成无限列奇次谐波分量。如果检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，则可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。如果在某一频率下增益等于l且总的额外相移为180°（此相移加上原先设定的180°相移，总相移量为360°），那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡。如图2所示，通常情况下，控制放大器都会采用反馈补偿元器件Z2减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下都保持稳定。

　　

　　波特图对应于小信号（理论上的小信号是无限小的）扰动时系统的响应；但是如果扰动很大，系统的响应可能不是由反馈的线性部分决定的，而可能是由非线性部分决定的，如运放的压摆率、增益带宽或者电路中可能达到的最小、最大占空比等。当这些因素影响系统响应时，原来的系统就会表现为非线性，而且传递函数的方法就不能继续使用了。因此，虽然小信号稳定是必须满足的，但还不足以保证电源的稳定工作。因此，在设计电源环路补偿时，不但要考虑信号电源系统的响应特性，还要处理好电源系统的大信号响应特性。电源系统对大信号响应特性的优劣可以通过负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性来判断，负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性存在很强的连带关系，负载跃变响应特性好，则输入电压跃变响应特性一定好。

　　对开关电源环路稳定性判据的理论分析是很复杂的，这是因为传递函数随着负载条件的改变而改变。各种不同线绕功率元器件的有效电感值通常会随着负载电流而改变。此外，在考虑大信号瞬态的情况下，控制电路工作方式转变为非线性工作方式，此时仅用线性分析将无法得到完整的状态描述。下面详细介绍通过对负载跃变瞬态响应波形分析来判断开关电源环路稳定性。

3 稳定性测试

　　测试条件：

　　（1）无感电阻；

　　（2）负载变化幅度为10％~100％；

　　（3）负载开关频率可调（在获得同样理想响应波形的条件下，开关频率越高越好）；

　　（4）限定负载开关电流变化率为5A／μs或者2A/μs，没有声明负载电流大小和变化率的瞬态响应曲线图形无任何意义。

　　图3（a）为瞬变负载波形。

　　图3（b）为阻尼响应，控制环在瞬变边缘之后带有振荡。说明拥有这种响应电源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定条件下才能稳定。因此，要尽量避免这种类型的响应，补偿网络也应该调整在稍低的频率下滑离。

　　图3（c）为过阻尼响应，虽然比较稳定，但是瞬态恢复性能并非最好。滑离频率应该增大。

　　图3（d）为理想响应波形，接近最优情况，在绝大多数应用中，瞬态响应稳定且性能优良，增益裕度和相位裕度充足。

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　　对于正向和负向尖峰，对称的波形是同样需要的，因此从它可以看出控制部分和电源部分在控制内有中心线，且在负载的增大和减少的情况下它们的摆动速率是相同的。

　　上面介绍了开关电源控制环路的两个稳定性判据，就是通过波特图判定小信号下开关电源控制环路的相位裕度和通过负载跃变瞬态响应波形判定大信号下开关电源控制环路的稳定性。下面介绍四种控制环路稳定性的设计方法。

　　4 稳定性设计方法

　　4．1 分析法

　　根据闭环系统的理论、数学及电路模型进行分析（计算机仿真）。实际上进行总体分析时，要求所有的参数要精确地等于规定值是不大可能的，尤其是电感值，在整个电流变化范围内，电感值不可能保持常数。同样，能改变系统线性工作的较大瞬态响应也是很难预料到的。

　　4．2 试探法

　　首先测量好脉宽调整器和功率变换器部分的传递特性，然后用“差分技术”来确定补偿控制放大器所必须具有的特性。

　　要想使实际的放大器完全满足最优特性是不大可能的，主要的目标是实现尽可能地接近。具体步骤如下：

　　（1）找到开环曲线中极点过零处所对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入零点，那么在直到等于穿越频率的范围内相移小于315°（相位裕度至少为45°）；

　　（2）找到开环曲线中EsR零点对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入极点（否则这些零点将使增益特性变平，且不能按照期望下降）；

　　（3）如果低频增益太低，无法得到期望的直流校正那么可以引入一对零极点以提高低频下的增益。

　　大多数情况下，需要进行“微调”，最好的办法是采用瞬态负载测量法。

　　4. 3 经验法

　　采用这种方法，是控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭环来获得初始稳定性。然后采用瞬时脉冲负载方法来补偿网络进行动态优化，这种方法快而有效。其缺点是无法确定性能的最优。

　　4．4 计算和测量结合方法

　　综合以上三点，主要取决于设计人员的技能和经验。

　　对于用上述方法设计完成的电源可以用下列方法测量闭环开关电源系统的波特图，测量步骤如下。

　　如图4所示为测量闭环电源系统波特图的增益和相位时采用的一个常用方法，此方法的特点是无需改动原线路。

　　

　　如图4所示，振荡器通过变压器T1引入一个很小的串联型电压V3至环路。流入控制放大器的有效交流电压由电压表V1测量，输出端的交流电压则由电压表V2测量（电容器C1和C2起隔直流电流的作用）。V2/V1（以分贝形式）为系统的电压增益。相位差就是整个环路的相移（在考虑到固定的180°负反馈反相位之后）。

　　输入信号电平必须足够小，以使全部控制环路都在其正常的线性范围内工作。

　　4．5 测量设备

　　波特图的测量设备如下：

　　（1）一个可调频率的振荡器V3，频率范围从10Hz（或更低）到50kHz（或更高）；

　　（2）两个窄带且可选择显示峰值或有效值的电压表V1和V2，其适用频率与振荡器频率范围相同；

　　（3）专业的增益及相位测量仪表。

　　测试点的选择：理论上讲，可以在环路的任意点上进行伯特图测量，但是，为了获得好的测量度，信号注入节点的选择时必须兼顾两点：电源阻抗较低且下一级的输入阻抗较高。而且，必须有一个单一的信号通道。实践中，一般可把测量变压器接入到图4或图5控制环路中接入测量变压器的位置。

　　

　　图4中T1的位置满足了上述的标准。电源阻抗（在信号注入的方向上）是电源部分的低输出阻抗，而下一级的输入阻抗是控制放大器A1的高输入阻抗。图5中信号注入的第二个位置也同样满足这一标准，它位于图5中低输出的放大器A1和高输入阻抗的脉宽调制器之间。

　　5 最佳拓扑结构

　　无论是国外还是国内DC／DC电源线路的设计，就隔离方式来讲都可归结为两种最基本的形式：前置启动+前置PWM控制和后置隔离启动+后置PWM控制。具体结构框图如图6和图7所示。

　　

　　国内外DC／DC电源设计大多采用前置启动+前置PWM控制方式，后级以开关形式将采样比较的误差信号通过光电耦合器件隔离传输到前级PWM电路进行脉冲宽度的调节，进而实现整体DC／DC电源稳压控制。如图6所示，前置启动+前置PWM控制方式框图所示，输出电压的稳定过程是：输出误差采样→比较→放大→光隔离传输→PWM电路误差比较→PWM调宽→输出稳压。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等产品都属于此种控制方式。此类拓扑结构电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各部分：

　　（1）以集成电路U2为核心的采样、比较电路的环路补偿设计；

　　（2）以前置PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；

　　（3）输出滤波器设计主要考虑输出电压／电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考；

　　（4）其它部分如功率管驱动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。

　　而如图7所示，后置隔离启动+后置PWM控制方式框图，输出电压的稳定过程是：输出误差采样→PWM电路误差比较→PWM调宽→隔离驱动→输出稳压。此类拓扑结构电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各部分：

　　（1）以后置PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；

　　（2）输出滤波器设计主要考虑输出电压／电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考。

　　（3）其它部分如隔离启动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。

　　比较图6和图7控制方式和环路稳定性补偿设计可知，图7后置隔离启动+后置PWM控制方式的优点如下：

　　（1）减少了后级采样、比较、放大和光电耦合，控制环路简捷；

　　（2）只需对后置PWM集成电路内部电压比较器进行环路补偿设计，控制环路的响应频率较宽；

　　（3）相位裕度大；

　　（4）负载瞬态特性好；

　　（5）输入瞬态特性好；

　　（6）抗辐照能力强。实验证明光电耦合器件即使进行了抗辐照加固其抗辐照总剂量也不会大于2x104Rad（Si），不适合航天电源高可靠、长寿命的应用要求。

　　6 结语

　　开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，重点解决的是从输入到输出的电压及功率变换问题。二是稳定性设计，重点解决的是输出电压的品质问题。开关电源稳定性设计的好坏直接决定着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、高低温稳定性、生产和调试难易度。将上述开关电源稳定性设计方法和结论应用到开关电源的研发工作中去，定能事半功倍。

四、基于UC3875的全桥软开关直流电源设计

　　PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。UCC3895是美国德州仪器公司生产的移相谐振全桥软开关控制器，该系列控制器采用了先进的BCDMOS技术。 UCC3895在基本功能上与UC3875系列和UC3879系列控制器完全相同，同时增加了一些新的功能。

　　本文介绍了一台采用移相谐振控制芯片UC3875作为控制核心设计的开关频率为70kHz、输出功率1.2kW、主电路为移相全桥ZVZCS PWM软开关模式的直流开关电源。

　　l 移相式ZVZCSPWM软开关电源主电路分析

　　在设计制作的1.2kW（480V／2.5A）的软开关电源中，其主电路为全桥变换器结构，四只开关管均为MOSFET（1000V／24A），采用移相ZVZCSPWM控制，即超前臂开关管实现ZVS、滞后臂开关管实现ZCS，电路结构简图如图l，VT1～VT4是全桥变换器的四只MOSFET开关管，VD1、VD2分别是超前臂开关管VT1、VT2的反并超快恢复二极管，C1、C2分别是为了实现VTl、VT2的ZVS设置的高频电容，VD3、VD4是反向电流阻断二极管，以实现滞后臂VT3、VT4的ZCS，Llk为变压器漏感，Cb为阻断电容，T为主变压器，副边由VD5～VD8构成的高频整流电路以及Lf、C3、C4等滤波器件组成。

　　其基本工作原理如下：

　　当开关管VT1、VT4或VT2、VT3同时导通时，电路工作情况与全桥变换器的硬开关工作模式情况一样，主变压器原边向负载提供能量。通过移相控制，在关断VT1时并不马上关断VT4，而是根据输出反馈信号决定的移相角，经过一定时间后再关断VT4，在关断VT1之前，由于VT1导通，其并联电容C1上电压等于VT1的导通压降，理想状况下其值为零，当关断VT1时刻，C1开始充电，由于电容电压不能突变，因此，VT1即是零电压关断。

　　

　　由于变压器漏感L1k以及副边整流滤波电感的作用，VT1关断后，原边电流不能突变，继续给Cb充电，同时C2也通过原边放电，当C2电压降到零后，VD2自然导通，这时开通VT2，则VT2即是零电压开通。

　　当C1充满电、C2放电完毕后，由于VD2是导通的，此时加在变压器原边绕组和漏感上的电压为阻断电容Cb两端电压，原边电流开始减小，但继续给Cb充电，直到原边电流为零，这时由于VD4的阻断作用，电容Cb不能通过VT2、VT4、VD4进行放电，Cb两端电压维持不变，这时流过VT4电流为零，关断VT4即是零电流关断。

　　关断VT4以后，经过预先设置的死区时间后开通VT3，由于电压器漏感的存在，原边电流不能突变，因此VT3即是零电流开通。

　　VT2、VT3同时导通后原边向负载提供能量，一定时间后关断VT2，由于C2的存在，VT2是零电压关断，如同前面分析，原边电流这时不能突变，C1经过VD3、VT3、Cb放电完毕后，VD1自然导通，此时开通VT1即是零电压开通，由于VD3的阻断，原边电流降为零以后，关断VT3，则VT3即是零电流关断，经过预选设置好的死区时间延迟后开通VT4，由于变压器漏感及副边滤波电感的作用，原边电流不能突变，VT4即是零电流开通。

　　这种采用超快恢复二极管阻断原边反向电流方式的移相式ZVZCS PWM全桥变换器拓扑的理想工作波形如图2所示，其中Uab表示主电路图3中a、b两点之间的电压，ip为变压器T原边电流，Ucb为阻断电容Ub上的电压，Urect是副边整流后的电压。

　　

　　

　　2 基于UC3875的主控制回路设计

　　为了实现主回路开关管ZVZCS软开关，采用UC3875为其设计了PWM移相控制电路，如图3所示。考虑到所选MOSFET功率比较大对芯片的四个输出驱动信号进行了功率放大，再经高频脉冲变压器T1、T2隔离最后经过驱动电路驱动MOSFET开关管。整个控制系统所有供电均用同一个15V直流电源，实验中设置开关频率为70kHz，死区时间设置为1.5μs，采用简单的电压控制模式，电源输出直流电压通过采样电路、光电隔离电路后形成控制信号，输入到UC3875误差放大器的EA一，控制UC3875误差放大器的输出，从而控制芯片四个输出之间的移相角大小，使电源能够稳定工作，图中R6、C5接在EA一和E／AOUT之间构成PI控制。在本设计中把CS+端用作故障保护电路，当发生输出过压、输出过流、高频变原边过流、开关管过热等故障时，通过一定的转换电路，把故障信号转换为高于2.5V的电压接到CS+端，使UC3875四个输出驱动信号全为低电平，对电路实现保护。

　　图4是开关管的驱动电路。隔离变压器的设计采用AP法、变比为l：1.3的三绕组变压器。UC3875输出的单极性脉冲经过放大电路、隔离电路和驱动电路后形成+12V／一5V的双极性驱动脉冲，保证开关管的稳定开通和关断。

　　

　　3 仿真与实验结果分析

　　PSpice是一款功能强大的电路分析软件，对开关频率70kHz的ZVZCS软开关电源的仿真是在PSpice9.1平台上进行的。

　　实验样机的主回路结构采用图1所示的电路拓扑，阻断二极管采用超快恢复大功率二极管RHRG30120，其反向恢复时间在100ns以内，满足70kHz开关频率的要求。开关管MOSFET采用IXYS公司的IXFK24N100开关管，这种型号MOS管自身反并有超快恢复二极管，其反向恢复时间约250ns。

　　图5是超前桥臂开关管驱动电压与管压降波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形，可见超前臂开关管完全实现了ZVS开通，VT1、VT2关断时是依赖其自身很小的结电容来实现的，从图中可以看出，关断时也基本实现了ZVS关断。

　　

　　

　　图6是滞后桥臂开关管驱动电压与电流波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形；图7是滞后臂开关管管压降与电流波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形，从图6、图7可以看出滞后臂开关管VT3、VT4很好地实现了ZCS关断，关断时开关管电流已经为零；滞后臂开关管完全开通之前，开关管电流也几乎为零，基本实现了ZCS开通。而且滞后桥臂开关管VT3、VT4可以在很大负载范围内实现ZCS开关。

　　图8是两桥臂中点之间的电压Uab的波形图，（a）为仿真波形、（b）为实验波形。图9是阻断电容Cb上的电压U曲波形，（a）为仿真波形、（b）为实验波形。从图上可以看出，由于有Ucb的存在，Uab不是一个方波。当Uab=0时，阻断电容Cb上的电压Ucb使原边电流ip逐渐减小到零，由于阻断二极管的阻断作用，ip不能反向流动，从而实现了滞后桥臂的ZCS开关。

　　4 结论

　　本文在介绍了移相谐振控制芯片UC3875的工作特点并详细分析了采用串联阻断二极管的移相式ZVZCS PWM软开关工作特性的基础上，设计了一台1.2kW、开关频率70kHz的全桥软开关直流电源，并应用PSpice软件进行了仿真，实验结果与仿真结果基本符合。实验表明以UC3875为核心的控制部分结构简单可靠，电源主电路开关管均实现了软开关，并克服了单纯的ZVS或ZCS软开关模式的缺点，可有效减小开关管开关过程引起的损耗，有利于提高电源开关频率，减小电源体积和重量。

五、开关电源纹波产生分析

　　随着SWITCH 的开关，电感L 中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH 同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR 有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。

　　另外，SWITCH 一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH 上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D 在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。

　　如果是AC／DC 变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC 噪声，频率是输入AC 电源的频率，为50～60Hz 左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。因为本人是做汽车电子研发的，对于后两种噪声接触较少，所以暂不考虑。

　　开关电源纹波的测量

　　基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 带宽限制，拔掉探头的地线

　　1，AC 耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。

　　2，打开20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。

　　3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。

　　还有一点是要使用50Ω 终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω 模块是除去DC 成分，精确测量AC 成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ 到10MΩ 的探头测量，影响暂时不清楚。

　　上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω 同轴电缆方式测量。

　　在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz 级别。其他与上述相同。

　　可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。

　　关于示波器：

　　有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。泰克公司有专门分开测量上述两种纹波（噪声）的软件，可以看一下参考资料5。同样，关于示波器的接地，电源测试的相关知识，也可以看一下。

　　开关电源纹波的抑制

　　对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种：

　　1，加大电感和输出电容滤波

　　根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

　　同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/（Co×f）。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

　　通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR 也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。

　　同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin 不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端（以BucK 型为例，是SWITcH 附近），并联电容来提供电流。

　　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

　　2，二级滤波，就是再加一级LC 滤波器

　　LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。

　　采样点选在LC 滤波器之前（Pa），输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

　　采样点选在LC 滤波器之后（Pb），这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。

　　3，开关电源输出之后，接LDO 滤波

　　这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO 都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线，如右图是凌特公司LT3024 的曲线。

　　对减小纹波。开关电源的PCB 布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C 或RC，或串联电感。

　　4，在二极管上并电容C 或RC

　　二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC 振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

　　在二极管上并联的电容C 或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。

　　对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。

　　5，二极管后接电感（EMI 滤波）

　　这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。

　　六、开关电源PCB排版基本要点分析

　　摘要：开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题．详细讨论了开关电源PCB排版的基本要点，并描述了一些实用的PCB排版例子。

　　0 引言

　　为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC／DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB排版就变得非常重要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以，没计人员需要对开关电源PCB排版基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。

　　1 开关电源PCB排版基本要点

　　l.1 电容高频滤波特性

　　图1是电容器基本结构和高频等效模型。

　　

　　电容的基本公式是

　　

　　式（1）显示，减小电容器极板之间的距离（d）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。

　　电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（Zc）。

　　

　　一个电容器的谐振频率（fo）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到，即

　　

　　当一个电容器工作频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即

　　

　　当电容器工作频率在fo以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即

　　

　　当电容器工作频率接近fo时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻（RESR）。[!--empirenews.page--]

　　电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，所以能使用在高频滤波和旁路电路上。由于小电容量瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高，因此，在选择旁路电容时不能光选用电容值过高的瓷片电容器。为了改善电容的高频特性，多个不同特性的电容器可以并联起来使用。图3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的效果。

　　

　　电源排版基本要点1 旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。

　　图4显示了在一个PCB上输入电源（Vin）至负载（RL）的不同走线方式。为了降低滤波电容器（C）的ESL，其引线长度应尽量减短；而Vin。正极至RL和Vin负极至R1的走线应尽量靠近。

　　

　　1．2 电感高频滤波特性

　　图5中的电流环路类似于一匝线圈的电感。高频交流电流所产生的电磁场R（t）将环绕在此环路的外部和内部。如果高频电流环路面积（Ac）很大，就会在此环路的内外部产生很大的电磁干扰。

　　

　　电感的基本公式是

　　

　　从式（5）可知，减小环路的面积（Ac）和增加环路周长（lm）可减小L。

　　电感通常存在等效并联电阻（EPR）和等效并联电容（Cp）二个寄生参数。图6是电感在不同工作频率下的阻抗（ZL）。

　　

　　谐振频率（fo）可以从电感自身电感值（L）和它的等效并联电容值（Cp）得到，即

　　

　　当一个电感工作频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增加，即

　　

　　当电感工作频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即

　　

　　当电感工作频率接近fo时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻（REPR）。

　　在开关电源中电感的Cp应该控制得越小越好。同时必须注意到，同一电感量的电感会由于线圈结构不同而产生不同的Cp值。图7就显示了同一电感量的电感在二种不同的线圈结构下不同的Cp值。图7（a）电感的5匝绕组是按顺序绕制。这种线圈结构的Cp值是l匝线圈等效并联电容值（C）的1／5。图7（b）电感的5匝绕组是按交叉顺序绕制。其中绕组4和5放置在绕组1、2、3之间，而绕组l和5非常靠近。这种线圈结构所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。

　　

　　可以看到，相同电感量的两种电感的Cp值居然相差达数倍。在高频滤波上如果一个电感的Cp值太大，高频噪音就会很容易地通过Cp直接耦合到负载上。这样的电感也就失去了它的高频滤波功能。

　　图8显示了在一个PCB上Vin通过L至负载（RL）的不同走线方式。为了降低电感的Cp，电感的二个引脚应尽量远离。而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近。

　　

　　电源排版基本要点2 电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好。

　　1.3 镜像面

　　电磁理论中的镜像面概念对设计者掌握开关电源的PCB排版会有很大的帮助。图9是镜像面的基本概念。

　　

　　图9（a）是当直流电流在一个接地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回直流电流非常均匀地分布在整个地层面上。图9（h）显示当高频电流在同一个地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回交流电流只能流在地层面的中间而地层面的两边则完全没有电流。 一日．理解了镜像面概念，我们很容易看到在图10中地层面上走线的问题。接地层（Ground Plane），没汁人员应该尽量避免在地层上放置任何功率或信号走线。一旦地层上的走线破坏了整个高频环路，该电路会产牛很强的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。

　　电源排版基本要点3 避免在地层上放置任何功率或信号走线。

　1．4 高频环路

　　开关电源中有许多由功率器件所组成的高频环路，如果对这△环路处婵得不好的话，就会对电源的正常工作造成很大影响。为了减小高频环路所产生的电磁波噪音，该环路的面积应该控制得非常小。如图l1（a）所示，高频电流环路面积很大，就会在环路的内部和外部产生很强的电磁于扰。同样的高频电流，当环路面积设计得非常小时，如图11（b）所示，环路内部和外部电磁场互相抵消，整个电路会变得非常安静。

　　电源排版基本要点4 高频环路的面积应尽可能减小。

　　

　　1.5 过孔和焊盘放置

　　许多设计人员喜欢在多层PCB卜放置很多过孔（VIAS）。但是，必须避免在高频电流返同路径上放置过多过。否则，地层上高频电流走线会遭到破坏。如果必须在高频电流路径上放置一些过孔的活，过孔之间可以留出一空间让高频电流顺利通过，图12显示了过孔放置方式。

　　

　　电源排版基本要点5 过孔放置不应破坏高频电流在地层上的流经。

　　设计者同时应注意不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图13显示了几种焊盘形状的串联电感值。

　　

　　旁路电容（Decouple）的放置也要考虑到它的串联电感值。旁路电容必须是低阻抗和低ESL乩的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在PCB上放置的方式不对，它的高频滤波功能也就消失了。图14显示了旁路电容正确和错误的放置方式。

　　

　　1．6 电源直流输出

　　许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免输出走线受电源自身或周边电子器件所产生的电磁下扰，输出电源走线必须像图l5（b）那样靠得很近，使输出电流环路的面积尽可能减小。

　　

　　l.7 地层在系统板上的分隔

　　新一代电子产品系统板七会同时有模拟电路、数字电路、开关电源电路。为了减小丌关电源噪音对敏感的模拟和数字电路的影响，通常需要分隔不同电路的接地层。如果选用多层PCB，不同电路的接地层可由不同PCB板层来分隔。如果整个产品只有一层接地层，则必须像图16中那样在单层中分隔。无论是在多层PCB上进行地层分隔还是在单层PCB 上进行地层分隔，不同电路的地层都应该通过单点与开关电源的接地层相连接。

　　电源排版基本要点6 系统板七不同电路需要不同接地层，不同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接。

　　

　　2 开关电源PCB排版例子

　　压式开关电源原理图。设汁人员应能在此线路图上区分出功率电路中元器件和控制信号电路中元器件。如果设计者将该电源中所有的元器件当作数字电路中的元器件来处理，则问题会相当严重。通常首先需要知道电源高频电流的路径，并区分小信号控制电路和功率电路元器件及其走线。一般来讲，电源的功率电路主要包括输入滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、上下端功率场效应管。控制电路主要包括PWM控制芯片、旁路电容、自举电路、反馈分压电阻、反馈补偿电路。

　　2.l 电源功率电路PCB排版

　　电源功率器件在PCB上正确的放置和走线将决定整个电源工作是否正常。设计人员首先要对开关电源功率器件上的电压和电流的波形有一一定的了解。

　　

　　图18显示一个降压式开关电源功率电路元器件卜的电流和电压波形。由于从输入滤波电容（Cin），上端场效应管（S1）和F端场效应管（S2）中所流过的电流是带有高频率和高峰值的交流电流，所以由Cin-S1-S2所形成的环路面积要尽量减小。同时由S2，L和输出滤波电容（Cout）所组成的环路面积也要尽量减小。

　　

　　如果设汁者未按本丈所述的要点来制作功率电路PCB，很可能制作出网19所示的电源PCB，图19的PCB排版存在许多错误：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高频滤波能力基本上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout环路的面积太大，所产生的电磁噪音会对电源本身和周边电路造成很大于扰；第三，L的焊盘靠得太近，造成Cp太大而降低了它的高频滤波功能；第四，Cout焊盘引线太长，造成FSL太大而失去了高频滤波线。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout环路的面积已控制到最小。S1的源极，S2的漏极和L之问的连接点是一整块铜片焊盘。由于该连接点上的电压是高频，S1、S2和L需要靠得非常近。虽然L和Cout之间的走线上没有高峰值的高频电流，但比较宽的走线可以降低直流阻抗的损耗使电源的效率得到提高。如果成本上允许，电源可用一面完全是接地层的双面PCB，但必须注意在地层卜尽量避免走功率和信号线。在电源的输入和输出端口还各增加了一个瓷片电容器来改善电源的高频滤波性能。

　　2.2 电源控制电路PCB排版

　　电源控制电路PCB排版也是非常重要的。不合理的排版会造成电源输出电压的漂移和振荡。控制线路应放置在功率电路的边上，绝对不能放在高频交流环路的中间。旁路电容要尽量靠近芯片的Vcc和接地脚（GND）。反馈分压电阻最好也放置在芯片附近。芯片驱动至场效应管的环路也要尽量减短。

　　电源排版基本要点7 控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短。

　　

　　2.3开关电源PCB排版例1

　　图21是图17 PCB的元器件面走线图。此电源中采用了一个低价PWM控制器（Semtech型号SCIIO4A）。PCB下层是一个完整的接地层。此PCB功率地层与控制地层之间没有分隔。可以看到该电源的功率电路由输入插座（PCB左上端）通过输入滤波电容器（C1，C2，），S1，S2，L1，输出滤波电容器（C10，C11，C12，C13），一直到输出插座（PCB右下端）。SCll04A被放置在PCB的左下端。因为，在地层上功率电路电流不通过控制电路，所以，无必要将控制电路接地层与功率电路接地层进行分隔。如果输入插座是放置在PCB的左下端，那么在地层上功率电路电流会直接通过控制电路，这时就有必要将二者分隔。

　　

　2．4开关电源PCB排版例2

　　图22是另一种降压式开关电源，该电源能使12V输入电压转换成3．3V输出电压，输出电流可达3A。此电源上使用了一个集成电源控制器（Semtech型号SC4519）。这种控制器将一个功率管集成在电源控制器芯片中。这样的电源非常简单，尤其适合应用在便携式DVD机，ADSL，机顶盒等消费类电子产品。

　　同前面例子一样，对于这种简单开关电源，在PCB排版时也应注意以下几点。

　　1）由输入滤波电容（C3），SC4519的接地脚（GND），和D2所围成的环路面积一定要小。这意味着C3及D2必须非常靠近SC4519。

　　2）可采用分隔的功率电路接地层和控制电路接地层。连接到功率地层的元器件包括输入插座（VIN），输出插座（VOUT），输入滤波电容（C3），输出滤波电容（C2），D2，SC4519。连接到控制地层的元器件包括输出分压电阻（R1，R2），反馈补偿电路（R3，C4，C3，），使能插座（EN），同步插座（SYNC）。

　　

　　

　　3）在SC4519接地脚的附近加 个过孔将功率电路接地层与控制信号电路接地层单点式的相连接。

　　图23是该电源PCB上层排版图。为了力便读者理解，功率接地层和控制信号接地层分别用不同颜色来表示。在这里输入插座被放置在PCB的上方，而输出插座被放置在PCB的下方．滤波电感（L1）被放在PCB左边并靠近功率接地层，而对于噪音较敏感的反馈补偿电路（R3，C4，C5）则被放存PCB右边并靠近控制信号接地层。D2非常靠近SC4519的脚3及脚4。图24是该电源PCB下层排版图。输入滤波电容（C3）被放置在PCB下层并非常靠近SC4519和功率接地层。

　　2.5开关电源PCB排版例3

　　最后讨论一种多路输出开关电源PCB排版要点。此电源有3组输入电压（12V，5V和3.3V），4组输出电压（3.3v，2.6V，1.8V，1.2V）。该电源使用了，一集成多路开关控制器（Serotech型号SC2453）。SC2453提供了4.5V～30V的宽输入电压范围，两个高达700kHz开关频率和高达15A输出电流，以及低至0.5V输出电压的同步降压转换器。它还提供了一个专用可调配正压线性调节器和一个专用可调配负压线性调节器。TSSOP-28封装减小了所需线路板面积。两个异相降压转换器可以减小输入电流纹波。图25是这种多路开关电源的原理图。其中3.3V输出由5V输人产生，l.2V输出由12V输入产生，2.6V和1.8V输出由3.3V输入产生。由于该电源上所有元器件都必须被放置在一个面积较小的PCB上，为此必须将电源的功率地层和控制信号地层分隔开来。参照前面几节中讨论过的要点，首先将图25中连接到功率地层的元器件和连接到控制信号地层的元器件区分开来，然后将控制信号元器件放在信号地层上并靠近SC2453控制信号地层与功率地层通过单点相连接。这连接点通常会选择在控制芯片的接地脚（SC2453中的脚21）。图26详细描述了该电源排版方式。

　　

　　电源排版基本要点8 开关电源功率电路和控制信号电路下的元器件需要连接不同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。

　　

　　3 结语

　　开关电源PCB排版的8个要点：

　　1）旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容并联能改善电容的阻抗特性；

　　2）电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好；

　　3）避免在地层上放置任何功率或信号走线；

　　4）高频环路的面积应尽可能减小；

　　5）过孔放置小应破坏高频电流在地层上的路径；

　　6）系统板上一小同电路需要不同接地层，小同电路的接地层通过单点与电源接地层相连接；

　　7）控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短；

　　8）开关电源功率电路和控制信号电路元器件需要连接到小同的接地层，这二个地层一般都是通过单点相连接。