多层线路板在开关电源电路中应用

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最近几年,随着多层线路板开关电源电路中应用,使得印制线路变压器成为可能,由于多层板,层间距较小,也可以充分利用变压器窗口截面,可在主线路板上再 加一到两片由多层板组成的印制线圈达到利用窗口,降低线路电流密度的目的,由于采用印制线圈,减少了人工干预,变压器一致性好,平面结构,漏感低,偶合 好。开启式磁芯,良好的散热条件。由于其具有诸多的优势,有利于大批量生产,所以得到广泛的应用。但研制开发初期投入较大,不适合小规模生。

  开关电源分为,隔离与非隔离两种形式,在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式,在下文中,非特别说明,均指隔离电源。隔离电源按照结构形式不同,可分 为两大类:正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截止,变压器储能。原边截止时,副边导通,能量释放到负载的工作状态,一般常规反激式电源单管 多,双管的不常见。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载,能量通过变压器直接传递。按规格又可分为常规正激,包括单管正激,双管正 激。半桥、桥式电路都属于正激电路。

  正激和反激电路各有其特点,在设计电路的过程中为达到最优性价比,可以灵活运用。一般在小功率场合可选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路,中等功 率可采用双管正激电路或半桥电路,低电压时采用推挽电路,与半桥工作状态相同。大功率输出,一般采用桥式电路,低压也可采用推挽电路。

  反激式电源因其结构简单,省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感,而在中小功率电源中得到广泛的应用。在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦, 输出功率超过100瓦就没有优势,实现起来有难度。本人认为一般情况下是这样的,但也不能一概而论,PI公司的TOP芯片就可做到300瓦,有文章介绍反 激电源可做到上千瓦,但没见过实物。输出功率大小与输出电压高低有关。

  反激电源变压器漏感是一个非常关键的参数,由于反激电源需要变压器储存能量,要 使变压器铁芯得到充分利用,一般都要在磁路中开气隙,其目的是改变铁芯磁滞回线的斜率,使变压器能够承受大的脉冲电流冲击,而不至于铁芯进入饱和非线形状 态,磁路中气隙处于高磁阻状态,在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。

  变压器初次极间的偶合,也是确定漏感的关键因素,要尽量使初次极线圈靠近,可采用三明治绕法,但这样会使变压器分布电容增大。选用铁芯尽量用窗口比较长的磁芯,可减小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。

  关于反激电源的占空比,原则上军用电源的最大占空比应该小于0.5,否则环路不容易补偿,有可能不稳定,但有一些例外,如美国PI公司推出的 TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的条件下。 占空比由变压器原副边匝数比确定,本人对做反激的看法是,先确定反射电压(输出电压通过变压器耦合反映到原边的电压值),在一定电压范围内反射电压提高则 工作占空比增大,开关管损耗降低。反射电压降低则工作占空比减小,开关管损耗增大。当然这也是有前提条件,当占空比增大,则意味着输出二极管导通时间缩 短,为保持输出稳定,更多的时候将由输出电容放电电流来保证,输出电容将承受更大的高频纹波电流冲刷,而使其发热加剧,这在许多条件下是不允许的。 占空比增大,改变变压器匝数比,会使变压器漏感加大,使其整体性能变,当漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉开关管大占空带来的低损耗,时就没有再增大占 空比的意义了,甚至可能会因为漏感反峰值电压过高而击穿开关管。由于漏感大,可能使输出纹波,及其他一些电磁指标变差。当占空比小时,开关管通过电流有效 值高,变压器初级电流有效值大,降低变换器效率,但可改善输出电容的工作条件,降低发热。如何确定变压器反射电压(即占空比)

  有网友提到开关电源的反馈环路的参数设置,工作状态分析。由于在上学时高数学的比较差,《自动控制原理》差一点就补考了,对于这一门现在还感觉恐惧,到现 在也不能完整写出闭环系统传递函数,对于系统零点、极点的概念感觉很模糊,看波德图也只是大概看出是发散还是收敛,所以对于反馈补偿不敢胡言乱语,但有有 一些建议。如果有一些数学功底,再有一些学习时间可以再把大学的课本《自动控制原理》找出来仔细的消化一下,并结合实际的开关电源电路,按工作状态进行分 析。一定会有所收获,论坛有一个帖子《拜师求学反馈环路设计、调式》其中CMG回答得很好,我觉得可以参考。

  接着谈关于反激电源的占空比(本人关注反射电压,与占空比一致),占空比还与选择开关管的耐压有关,有一些早期的反激电源使用比较低耐压开关管,如 600V或650V作为交流220V 输入电源的开关管,也许与当时生产工艺有关,高耐压管子,不易制造,或者低耐压管子有更合理的导通损耗及开关特性,像这种线路反射电压不能太高,否则为使 开关管工作在安全范围内,吸收电路损耗的功率也是相当可观的。 实践证明600V管子反射电压不要大于100V,650V管子反射电压不要大于120V,把漏感尖峰电压值钳位在50V时管子还有50V的工作余量。现在 由于MOS管制造工艺水平的提高,一般反激电源都采用700V或750V甚至 800-900V的开关管。像这种电路,抗过压的能力强一些开关变压器反射电压也可以做得比较高一些,最大反射电压在150V比较合适,能够获得较好的综 合性能。 PI公司的TOP芯片推荐为135V采用瞬变电压抑制二极管钳位。但他的*估板一般反射电压都要低于这个数值在110V左右。这两种类型各有优缺点:

  第一类:缺点抗过压能力弱,占空比小,变压器初级脉冲电流大。优点:变压器漏感小,电磁辐射低,纹波指标高,开关管损耗小,转换效率不一定比第二类低。

  第二类:缺点开关管损耗大一些,变压器漏感大一些,纹波差一些。优点:抗过压能力强一些,占空比大,变压器损耗低一些,效率高一些。

  反激电源反射电压还有一个确定因素

  军用开关电源的反射电压还与一个参数有关,那就是输出电压,输出电压越低则变压器匝数比越大,变压器漏感越大,开关管承受电压越高,有可能击穿开关管、吸收电 路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效(特别是采用瞬变电压抑制二极管的电路)。在设计低压输出小功率反激电源的优化过程中必须小心处理,其 处理方法有几个:

  1、 采用大一个功率等级的磁芯降低漏感,这样可提高低压反激电源的转换效率,降低损耗,减小输出纹波,提高多路输出电源的交差调整率,一般常见于家电用开关电源,如光碟机、DVB机顶盒等。

  2、如果条件不允许加大磁芯,只能降低反射电压,减小占空比。降低反射电压可减小漏感但 有可能使电源转换效率降低,这两者是一个矛盾,必须要有一个替代过程才能找到一个合适的点,在变压器替代实验过程中,可以检测变压器原边的反峰电压,尽量 降低反峰电压脉冲的宽度,和幅度,可增加变换器的工作安全裕度。一般反射电压在110V时比较合适。

  3、增强耦合,降低损耗,采用新的技术,和绕线工艺,变压器为满足安全规范会在原边和副 边间采取绝缘措施,如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感性能,现实生产中可采用初级绕组包绕次级的绕法。或者次级用三重绝缘线绕制,取消 初次级间的绝缘物,可以增强耦合,甚至可采用宽铜皮绕制。

文中低压输出指小于或等于5V的输出,像这一类小功率电源,本人的经验是,功率输出大于20W输出可采用正激式,可获得最佳性价比,当然这也不是决对的, 与个人的习惯,应用的环境有关系,下次谈一谈反激电源用磁性芯,磁路开气隙的一些认识,希望各位高人指点。

  反激电源变压器磁芯在工作在单向磁化状态,所以磁路需要开气隙,类似于脉动直流电感器。部分磁路通过空气缝隙耦合。为什么开气隙的原理本人理解为:由于功 率铁氧体也具有近似于矩形的工作特性曲线(磁滞回线),在工作特性曲线上Y轴表示磁感应强度(B),现在的生产工艺一般饱和点在400mT以上,一般此值 在设计中取值应该在200-300mT比较合适、X轴表示磁场强度(H)此值与磁化电流强度成比例关系。磁路开气隙相当于把磁体磁滞回线向X 轴向倾斜,在同样的磁感应强度下,可承受更大的磁化电流,则相当于磁心储存更多的能量,此能量在开关管截止时通过变压器次级泻放到负载电路,反激电源磁芯 开气隙有两个作用。其一是传递更多能量,其二防止磁芯进入饱和状态。

  反激电源的变压器工作在单向磁化状态,不仅要通过磁耦合传递能量,还担负电压变换输入输出隔离的多重作用。所以气隙的处理需要非常小心,气隙太大可使漏感 变大,磁滞损耗增加,铁损、铜损增大,影响电源的整机性能。气隙太小有可能使变压器磁芯饱和,导致电源损坏

  所谓反激电源的连续与断续模式是指变压器的工作状态,在满载状态变压器工作于能量完全传递,或不完全传递的工作模式。一般要根据工作环境进行设计,常规反 激电源应该工作在连续模式,这样开关管、线路的损耗都比较小,而且可以减轻输入输出电容的工作应力,但是这也有一些例外。 需要在这里特别指出:由于反激电源的特点也比较适合设计成高压电源,而高压电源变压器一般工作在断续模式,本人理解为由于高压电源输出需要采用高耐压的整 流二极管。由于制造工艺特点,高反压二极管,反向恢复时间长,速度低,在电流连续状态,二极管是在有正向偏压时恢复,反向恢复时的能量损耗非常大,不利于 变换器性能的提高,轻则降低转换效率,整流管严重发热,重则甚至烧毁整流管。由于在断续模式下,二极管是在零偏压情况下反向偏置,损耗可以降到一个比较低 的水平。所以高压电源工作在断续模式,并且工作频率不能太高。 还有一类反激式电源工作在临界状态,一般这类电源工作在调频模式,或调频调宽双模式,一些低成本的自激电源(RCC)常采用这种形式,为保证输出稳定,变 压器工作频率随着,输出电流或输入电压而改变,接近满载时变压器始终保持在连续与断续之间,这种电源只适合于小功率输出,否则电磁兼容特性的处理会很让人 头痛

  反激开关电源变压器应工作在连续模式,那就要求比较大的绕组电感量,当然连续也是有一定程度的,过分追求绝对连续是不现实的,有可能需要很大的磁芯,非常 多的线圈匝数,同时伴随着大的漏感和分布电容,可能得不偿失。那么如何确定这个参数呢,通过多次实践,及分析同行的设计,本人认为,在标称电压输入时,输 出达到50%~60%变压器从断续,过渡到连续状态比较合适。或者在最高输入电压状态时,满载输出时,变压器能够过渡到连续状态就可以了。