開關電源設計舉例

　　設計一個標準的多輸出電源：

　　穩態設計規格：

　　1、輸入電壓范圍：85 ~ 264 VAC

　　2、輸出#1：5V/50A

　　輸出#2：3.3V/40A 滿足：I1 + I2 《= 55A

　　輸出#3：12V/12A

　　輸出#4：-12V/4A

　　3、輸出電壓紋波：

　　4、模塊滿載效率：≥70%

　　5、輸入功率因數：0.99TYP

　　6、電壓調整率：≤+-1%

　　7、負載調整率：輸出#1 ≤+-0.5%，其它輸出 ≤+-3%

　　8、模塊幾何尺寸：長 * 寬 * 高

　　9、模塊環境溫度：-20 ~ 50攝氏度

　　10、溫度系數：≤0.02%

　　11、輸出保持時間：16ms

　　設計必須實現的功能：

　　1、全范圍內的正常開關機

　　2、全范圍內的輸出穩壓且滿足各項電性能指標

　　3、實現規格書要求的自動保護

　　4、輸出#1 ~ 輸出#3的輸出并聯均流

　　5、輸出#1和輸出#2的遠端補償

　　6、實現規格書的安全要求

　　7、實現規格書的EMI要求

　　8、實現規格書的熱插拔要求

　　9、實現規格書的MTBF要求

　　10、實現規格書的成本要求

　　11、實現規格書的通斷邏輯功能要求

　　開關電源設計優化

　　當我們設計完成一個開關電源以后，只是大致實現了其功能和指標，還需要進行各種優化。

　　1、功率級參數的優化

　　在選定功率級拓撲后，可利用前面的知識和穩態工作點選擇對功率參數進行優化，使得：

　　---開關功率器件的損耗最小

　　---功率變壓器和濾波器電感，濾波電容等的體積最小

　　---電源整機的功率密度最高

　　---功率級的Layout最合理等等

　　在這些優化中，最重要的是功率變壓器的優化，其變比，其繞法都會直接影響其他功率元器件的選擇和整個功率級的效率及功率密度。合理地選擇功率開關器件和它們的驅動電路及吸收電路，對功率級的性能也很重要。

　　2、環路參數的優化

　　在選定功率級拓撲和控制策略后，可利用前面的知識在功率級參數優化的基礎上，對環路參數進行優化，使得：

　　---盡量減小閉環電壓音頻隔離度，從而減小PFC濾波電容

　　---盡量減小閉環輸出阻抗，從而減小DC輸出濾波電容

　　在環路優化中，最重要的是補償器參數，調制器參數（如外部斜波補償含量）和光耦電路參數的優化。其中，電源整機的PCB Layout對環路的影響非常大，只有在好的PCB Layout下面，通過環路各部分參數的優化，才能使電源環增益的帶寬盡可能大，從而實現更好的動態性能和更高的功率密度。

　　3、輔助電源參數的優化

　　在采用繞組供電的開關電源產品中，必須對輔助電源的質量進行優化，使得：

　　---輔助電源對開關電源穩態性能的影響最小

　　---輔助電源對開關電源動態性能的影響最小

　　---輔助電源不會影響開關電源整機的可靠性

　　采用變壓器繞組或電感繞組的輔助電源，其輸出電壓的質量一般不太好，通過對輔助電源的優化，要保證自供電后的電源整機性能變化最小，可靠性沒有問題。

　　4、其他優化

　　---電源內各種保護電路的優化

　　---EMI濾波器電路的優化

　　---電源內部熱環境的優化

　　---電源其他功能電路（如：均流、同步、熱插拔、遠端補償等等）的優化

　　---PCB Layout的優化等等

　　開關電源設計折中

　　設計開關電源是個充滿矛盾的過程，魚和熊掌不可得兼，需要平衡折中各種指標，這個火候的掌握和拿捏需要大量經驗。前面談了優化，現在談折中，有時反而需要減少優化程度，真是奇妙啊！

　　1、穩態性能與動態性能的折中

　　很多功率級拓撲，其穩態性能與動態性能通常難以兼顧，穩態性能好，動態性能就差，動態性能好，穩態性能就差。這種例子非常多，所以選擇拓撲時，一定要根據要求和應用場合來合理選擇。

　　即使同一個拓撲，其功率級參數設計時，也要考慮穩態性能和動態性能的折中。如：輸出濾波器電感的設計，對效率而言，希望其越大越好，但對動態性能而言，則希望其小一點好，所以設計時需要折中。

　　2、功率密度與可靠性的折中

　　很多有更高功率密度的拓撲，其實現時會比較復雜，而且往往拓撲本身還有可靠性較低的隱患，所以，選擇拓撲結構時也要根據可靠性和性能來進行具體折中。如一些實現軟開關的拓撲，一般可實現更高的開關頻率，具有更高的功率密度，但他們在實現的產品中，可靠性往往較低。

　　3、小信號性能與大信號性能的折中

　　在一個電源中，有很多性能需要滿足，利用不同的控制策略，不同的補償電路會得到不同的動態性能。有些控制策略或參數對輸入端的擾動具有較強的抑制能力，有些則對負載端的擾動具有較強的抑制能力，有的參數對小信號動態穩定性很好，但在大信號下，其可能不穩定，有的參數能滿足大信號的要求，但小信號下其會變差，因此，要對大小信號的動態設計進行折中。

　　4、高低溫下的設計折中

　　在一個電源中，因各種參數都是與其工作時的溫度有關，所以必須找出一組參數能在全部環境溫度范圍內滿足所有性能指標，這需要做很多折中。

　　5、電性能與熱性能之間的折中

　　在一個電源中，電性能（如電應力和EMI性能）與熱性能之間的要求是矛盾的。為了獲得好的EMI和低的電應力，希望功率元器件的回路盡量小，但這會使得各元器件之間的熱影響更厲害，各元器件的損耗會更大。將各功率元器件之間的回路加大，可減小這種熱影響，改善熱設計，但因寄生參數的增加，會使器件的電應力增加，效率變低，EMI性能變壞，所以，電源中熱與電兩個設計是非常需要折中的。

　　6、關鍵部件的折中

　　在開關電源中，有一些關鍵部件，在設計時需要折中。如：功率變壓器的設計，對穩態效率性能而言，在變比等已經最優化后，希望其漏感最小，但在實現漏感最小的同時，往往會增加繞組之間的分布電容，這通常會增加共模EMI干擾和降低安全性。

　　另外，如驅動能力的折中。為了減小功率開關器件（MOSFET）的開關損耗，希望其開關過程盡量短，這可通過減小門級驅動電阻來實現，但在開關速度提高的同時，往往會增加電源的共模EMI，使得EMI特性變差。

　　7、其他折中

　　做好一個開關電源，還有很多其他折中要做，總之，因為開關電源是一個在一定邊界（由輸入電壓、負載電流和環境溫度組成的長方體）之內，滿足規格書要求的功率電子產品，既有功率處理和信息處理，又有熱處理，所以，為了做好這樣的產品，必須要做很多很多的折中。這要求開發人員了解如何在折中的基礎上優化，在優化的基礎上折中，使開發的電源產品達到最佳的性價比。