【干货】非常经典的开关电源设计问题！ 开关电源, 经典的, IC厂家, 影响, 左右

掘金小分队

问题一
我们小功率用到最多的反激电源，为什么我们常常选择65K或者100K（这些频率段附近）作为开关频率？有哪些原因制约了？或者哪些情况下我们可以增大开关频率？或者减小开关频率？
开关电源为什么常常选择65K或者100K左右范围作为开关频率，有的人会说IC厂家都是生产这样的IC，当然这也有原因。每个电源的开关频率会决定什么？
应该从这里去思考原因。还会有人说频率高了EMC不好过，一般来说是这样，但这不是必然，EMC与频率有关系，但不是必然。想象我们的电源开关频率提高了，直接带来的影响是什么?当然是MOS开关损耗增大，因为单位时间开关次数增多了。如果频率减小了会带来什么？开关损耗是减小了，但是我们的储能器件单周期提供的能量就要增多，势必需要的变压器磁性要更大，储能电感要更大了。选取在65K到100K左右就是一个比较合适的经验折中，电源就是在折中合理化折中进行。
假如在特殊情形下，输入电压比较低，开关损耗已经很小了，不在乎这点开关损耗吗，那我们就可以提高开关频率，起到减小磁性器件体积的目的。
本问关键：如何选择合适IC的开关频率？主流IC的开关频率为什么是大概是这么一些范围？开关频率和什么有关，说的是普遍情况，不是想钻牛角尖好多IC还有什么不同的频率。更多的想发散大家思维去注意到这些问题！
我这里想说的普遍情况，主要想提的是开关频率和什么有关，如何去选择合适开关频率，为什么主流IC以及开关频率是这么多，注意不是一定，是普遍情况，让新手区理解一般行为，当然开关电源想怎么做都可以，要能合理使用。
1、你是如何知道一般选择65或者100KHZ,作为开关电源的开关频率的？（调研普遍的大厂家主流IC，这二个会比较多，当然也有一些在这附近，还有一些是可调的开关频率）
2、又是如何在工作中发现开关电源开关频率确实工作在65KHZ,或100KHZ的。（从设计角度考量，普遍电源使用这个范围）
3、有两张以上的测试65KHZ100KHZ频率的图片说明吗？（何止二张图片，毫无意义）
4、你是否知道开关电源可以工作在1.5HZ.（你觉得这样谈有必要，工作没有什么不可以，纯熟钻牛角尖，做技术切记钻牛角尖，那你能谈谈为什么普遍电源不工作在1.5HZ，说这个才有意义，你做出1.5HZ的电源纯属毫无意义的事情）
提醒：做技术人员切记钻牛角尖，咱们不是校园研究派，是需要将理论与实践现结合起来，做出来的产品才是有意义的产品！
问题二


问题三


问题四


问题五
我们选择拓扑时需要考虑哪些方面的因素？各种拓扑使用环境及优缺点？
设计电源的第一步不知道大家会想到什么呢?我是这么想，细致研究客户的技术指标要求，转换为电源的规格书，与客户沟通指标，不同的指标意味着设计难度和成本，也是对我提出的问题有很大的影响，选择拓扑时根据我们的电源指标结合成本来考虑的，哪常用的几种拓扑特点在哪呢 ？
这里主要谈隔离式，非隔离式应用有限，当然也是成本最低的。
反激特点：适用在小于150W，理论这么说，实际大于75W就很少用，不谈很特殊的情况。反激的有点成本低，调试容易（相对于半桥，全桥），主要是磁芯单向励磁，功率由局限性，效率也不高，主要是硬开关，漏感大等等原因。全电压范围（85V-264V）效率一般在80%以下，单电压达到80%很容易。
正激特点：功率适中，可做中小功率，功率一般在200W以下，当然可以做很大功率，只是不常常这么做，原因是正激和反激一样单向励磁，做大功率磁芯体积要求大，当然采用2个变压器串并联的也有，注意只谈一般情形，不误导新人。正激有点，成本适中，当然比反激高，优点效率比反激高，尤其采用有源箝位做原边吸收，将漏感能量重新利用。
半桥：目前比较火的是LLC谐振半桥，中小功率，大功率通吃型。（一般大于100W小于3KW）。特点成本比反激正激高，因为多用了1个MOS管（双向励磁）和1个整流管，控制IC也贵，环路设计业复杂（一般采用运放，尤其还要做电流环）。优点:采用软开关，EMC好，效率极高，比正激高，我做过960W LLC,效率可达96%以上（全电压）（当然PFC是采用无桥方式）。其它半桥我不推荐，至少我不会去用，比较老的不对称桥，很难做到软开关，LLC成熟以前用的多，现在很少用，至少艾默生等大公司都倾向于LLC，跟着主流走一般都不会错。
全桥：一般用在大于2KW以上，首推移相全桥，特点，双向励磁，MOS管应力小，比LLC应力小一半，大功率尤其输入电压较高时，一般用移相全桥，输入电压低用LLC。成本特别高，比LLC还多用2个MOS。这还不是首要的，主要是驱动复杂，一般的IC驱动能力都达不到，要将驱动放大，采用隔离变压器驱动，这里才是成本高的另一方面。
推挽：应用在大功率，尤其是输入电压低的大功率场合，特点电压应力高，当然电流应力小，大功率用全桥还是推挽一般看输入电压。变压器多一个绕组，管子应力要求高，当然常提到的磁偏磁也需要克服。这个我真没用过，没涉及电力电源，很难用到它的时候。
问题六


问题七
电源的环路设计，电源哪些部分影响电源的环路？好的环路有哪些指标决定？
电源的环路设计一直是一个难点，为什么这么说，因为主要影响的因素太多，理论计算很难做到准确，仿真也是基于理想化模型，在这里只谈关于环路设计的一些影响因素，从定性的角度去理解环路以及怎么去做环路补偿。
环路是基于输入输出波动时，需要通过反馈，环路相应告知控制IC去调节，维持输出的稳定。电源环路一般都是串联负反馈，有的是电压串联负反馈（CC模式下），有的是电流串联负反馈（CV模式下）。
那有哪些地方会影响环路呢？电路中的零点以及极点。零点一般会导致增益上升，引起90度相移（右半平面零点会引起-90度相移）。极点一般会导致增益下降，引起-90度相移，左半平面极点会引起系统震荡。所以我们需要借助零点极点补偿手段去合理调控我们的环路。对于低频部分，为了满足足够增益一般引入零点补偿，对于高频干扰一般引入极点补偿去抵消，减少高频干扰。
环路稳定的原则是：1.在穿越频率处（即增益为零dB时的频率），系统的相位余量大于45度。
2.在相位达到-180度时增益的余量大于-12dB.3.避免过快的进入穿越频率，在进入穿越频率附近的曲线斜率为-1.
针对一般反激电路：
1.产生零点的有输出滤波电容 ：可以使环路增益上升。(一般在中频4K左右，对增益有好处，无需补偿）
2.若工作在CCM模式下还会产生右半平面零点。在高频段，可采用极点补偿。这个一般很难补偿，尽量避免，让穿越频率小于右半平面零点频率（15K左右，随负载变化会变化），选取。
3.负载会产生低频极点。采用低频零点去补偿。
4.LC滤波器会产生低频极点，需要采用零点补偿。在心中要清楚哪些零极点是利是弊，针对性补偿。
补偿的电路，针对电源环路来说比较简单，一般采用对运放采用2型补偿，也有的会采用3型补偿很少用。
问题八

问题九


问题十


问题十一
评判一块电源板LAYOUT好坏有哪些地方能一阵见血发现？
什么样的PCB是一块好的PCB，至少要满足以下一个方面：1.电性能方面干扰小，关键信号线及底线走的合理，各方面性能稳定（前提是电路无缺陷）。2.利于EMC，辐射低，环路走的合理。3.满足安规，安规距离满足要求。4.满足工艺，量产可生产性，以及减小生产成本。5.美观，布局规则有序（器件不东倒西歪），走线漂亮美观，不七弯八绕的。
如何才能做到以上几点，分享我的布板经验：
1.布局前，了解清楚电源的规格书，电源的规格，有无特殊要求，以及要过的安规标准。结构输入条件是不是准确，以及风道的确认，输入输出端口的确认，以及主功率流向。
工艺路线选取，根据器件的密度，以及有无特殊器件，选择相对应工艺路线。
2.布局中，注意合理的布局，保证四大环路尽可能小，提前预判后续走线是否好走。变压器的摆放基本决定了整体的布局，一定要慎重，放到最佳位置。EMI部分的布局流向清晰，与其它主功率部分有清晰的隔离带。减少受到主功率开关器件的干扰。各吸收回路的面积尽可能小，散热器的长度以及位置要合理，不挡风道。
3.走线部分，输入EMI电路的走线是否满足安规，原副边距离，输入输出对大地的距离都要满足安规。走线的粗细是否满足足够的电流大小，关键信号（例如驱动信号，采样信号，地线是否合理），驱动信号不要干扰敏感信号（高频信号）；采样信号是否采样准确，是否会受到干扰；地线是否拉得合理（有时需要单点接地，有时需要多点接地跟实际需要有关），主功率地和信号地严格区分开，原边芯片地从采样电阻取，不要从大电解取（尤其是采样电阻和大电解地距离远时），VCC的地前级地回大电解，二级电容地接芯片，反馈信号也单点接IC，地单点接IC。散热器的地必须接主功率地，不能接信号地等等很多的细节要求。
问题十二
电源的元器件你懂多少？MOS管结电容多大，对哪些有影响？RDS跟温度是什么关系？肖特基反向恢复电流影响什么？电容的ESR会带来哪些影响？
电源中的设计的器件类型很多，主要有半导体器件如：MOS管，三极管，IC，运放，二极管，光耦等；磁**件：电感，变压器，磁珠等；电容：Y电容，X电容，瓷片电容，电解电容，贴片电容等；每种器件都有其规格，极限参数。
常规的参数在我们选型很容易把握，例如选取MOS管，耐压参数肯定会考虑，额定电流也会考虑，导通电阻我们会考虑，但还有一些寄生参数以及一些随温度变化特性的参数却很少去注意，或者只有在发现问题的时候才会去找。导通电阻Rds(on)随温度升高其阻值是变大的，设计MOS管损耗时要考虑到其工作的环境温度。结电容影响到我们的开通损耗，也会影响到EMC。
肖特基二极管耐压，额定电流一般很好注意，有些参数例如导通压降在温度升高时会减小，反向恢复时间短，不过漏电流大（尤其是考虑到高温时漏电流影响就更大了），寄生电感会引起关断尖峰很高
电容一个重要参数ESR，在计算纹波时通常会考虑，ESR一般与C的关联是很大的，不过不同厂家的品质因素影响也是很巨大，一定要具体分清楚。
一般估算公司可参考：ESR=10/（C的0.73次方），电容在高温时寿命会缩短，低温时容量会减小，漏电流也会增加等等；
当然器件在特殊情形表现出来的特性差异是值得我们思考的问题，请大家多多思量，对于我们解决特殊情况下的问题非常有帮助。
问题十三


问题十四


问题十五





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