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电源开发的23个经典问题解答(4-2)!

(接上篇)

 

问题六

 

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。

 

问题七

 

考虑电源成本时,我们要从哪里下手呢?

 

设计电源,成本评估必不可少,目前客户将电源的成本压得很低,各大竞争对手无不都在打价格战,大家都能做出电源来,就看谁做得更便宜,才能赢得订单,从哪些方面入手有利于我们成本呢:

 

第一:技术指标。电源技术指标越高,成本越高,如果你的电源成本高了,那你可以打你的性能指标卖点,多了性能要求,电路增多了成本自然高。也是和客户谈话的资本。

 

第二:物料采购成本,为什么大公司电源利润高?无非是他们有着优越的采购平台,采购量大,物料成本低,当然成本更低。如果不考虑采购,作为工程师必须弄清楚不同物料对应的成本,比如能用贴片,少用插件,(比如插件电阻比贴片成本高),能用国产,不用台资,能用台资不用日系,这里的价格差异不菲。(比如日系电容比国产电容价格高几倍不止!!!当然质量也有差异;)

 

第三:影响成本的重要器件:变压器,电感,MOS管,电容,光耦,二极管及其他半导体器件,IC等。不同的变压器厂家绕出来的变压器价格差异很大,MOS管应力,热阻选择够用就行,IC方案的成本等等

 

其它方面导致成本问题:器件散热器,大小合适,多了就是浪费钱。PCB布板,能用单面板用成双面板就是浪费钱,PCB布板工艺,选择合理的工艺加工成本低,生产效率高。

 

问题八

 

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。

 

问题九

 

对各种拓扑的软开关形式有哪些?软开关是如何实现的?

 

软开关目前使用很频繁,一来可以提升次效率,二来可以利于EMC。很多拓扑都开始利用软开关了,就连反激如果为了做高效率也引入了准谐振来实现软开关,这个在前面问题已讲过。LLC的软开关在前面问题也提过实现条件,具体实现过程没有细讲。这里就分享下我对软开关的理解。

 

实现条件及过程:利用软开关需要二个元素,一个是C一个是L来实现谐振(当然也可以多谐振形式),谐振会产生正弦波,正弦波就能实现过零。如果是串联谐振属于电压谐振,并联谐振属于电流谐振。

 

其次软开关和硬开关的差异是:硬开关过程中电压电流有重叠,软开关要么电流为零(ZCS)要么电压为零(ZVS)。MOS管的软开关可以利用结电容或者并电容,然后串电感实现串联ZVS,例如准谐振反激,有源箝位吸收电路,移向全桥的软开关。也有LC并联ZCS,不过用的很少,因为MOS管ZVS的损耗小于ZCS。LLC属于串并联式,不过我们利用的是ZVS区。(在死区的时候谐振电流过零,上管软开通前,先给下管结电容充电,上管实现软开通)。

 

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(接下篇)

 


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