AC-DC电源设计实践分享

目录

1 引言

2 元件选型

3 变压器的设计

4 反馈环路的设计

5  PCB布局及走线

6 电路板调试经验

1 引言

开关电源可以有很多种不同的分类，DCDC的电路拓扑有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST。用于AC-DC的电源拓扑，一般有正激式开关电源、反激式开关电源、半桥式开关电源以及全桥式开关电源等等。

对于输入电压范围宽，输出功率在150W以下，性价比高以及效率高的场合，一般都会选择反激式开关电源。一般的家用电器中的电源模块，例如面包机、洗碗机、电饭煲等都是采用反激式开关电源的方式实现，手机充电器中的电源模块绝大多数也是采用反激式开关电源的方案来实现。所谓反激式开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

本次需要设计一个输出电压5V/13A的电源，采用的就是反激式开关电源。

 

2 元件选型

本次5V/13A电源模块选择的拓扑结构是反激式开关电源，对于设计一款电源电路来说，首先是要选择一款电源管理芯片，然后是设计变压器和反馈电路部分，最后是电路板的上电调试。随着集成电路技术的不断发展，电源管理芯片做的也是越来越好。现在设计一款开关电源只需要选好电源芯片，然后按照芯片数据手册把电路搭出来其基本工作就完成了一半，接下来就是调试电源的各项参数了，不像以前集成电路技术不是很成熟的时候，那时还没有电源管理芯片，需要自己用三极管等元件搭建电源芯片所实现的功能电路。

电源芯片选择：

本次选用的电源芯片是MPS厂家的HFC0500。HFC0500是一款具有内部斜率补偿的固定频率电流模式控制器。在轻负载时，控制器会限制峰值电流并将其开关频率降到25KHZ，以提供出色的轻载效率。在非常轻的负载下，控制器进入突发模式以实现非常低的待机功耗。控制器提供频率抖动，有助于消散传导噪声产生的能量。控制器采用过功率补偿功能，缩小低压线和高压线之间过功率保护点的差异。HFC0500控制器具有多重保护功能，具体包括热关断（TSD）、VCC欠压锁定（UVLO）、过载保护（OLP）、过压保护（OVP）以及欠压保护。控制器在正常负载时的驱动频率为65KHZ，功率耗散为1.3W。控制器的引脚精简，外围电路简单。适用于小型和大型的AC / DC电源家电，用于笔记本电脑，平板电脑和智能手机的AC / DC适配器，离线电池充电器以及液晶电视和显示器供电。如图1所示为HFC0500的顶部视图。

图1 HFC0500视图

输入共模电感的选择：

共模电感是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。原理是流过共模电流时磁环中的磁通相互叠加，从而具有相当大的电感量，对共模电流起到抑制作用，而当两线圈流过差模电流时，磁环中的磁通相互抵消，几乎没有电感量，所以差模电流可以无衰减地通过。电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达150MHz。根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。因此，电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。

大部分电路设计中，共模电感的取值通常是5-33mH，典型值是10-33mH，也可根据共模电感的计算公式计算出电感量的最小值。

Xl为频率为f时的阻抗值。本次选择的是33mH/3A的共模电感。

输入滤波电容的选择：

对于输入滤波电容的选择介绍的是，经过整流桥后的滤波电容。220V/50HZ的交流市电，经过整流桥后变成了‘馒头波’，很显然这个没有经过电容滤波的电压是不能给后面负载用的。整流桥后的电容把‘馒头波’变成了直流电压，滤波电容在这里相当于一个大水缸，起到滤波和储能的作用。这个电容一般会选择一个大的铝电解电容用来储能以及滤除低频干扰，再并联上一个小的CBB电容用来滤除高频干扰也可以降低输入的阻抗值。铝电解电容的大小一般是按照输入功率来选择的2uF/W，一般会留有2倍的余量。由于市电经过整流桥后的电压高达370V，所以选择的电容耐压值要大于这个值。本次选择的是100uF/400V的铝电解电容。

 

主开关管的选择：

在选择主开关管的时候，首先要考虑的是开关管的漏源之间的耐压值以及开关管导通时的耐流值；其次考虑开关管的开通速度、导通电阻以及有无反向二极管；最后还要考虑开关管的封装、散热以及价格等。开关管的耐压值是通过输入直流电压和开关管关断时变压器次级反射到初级的电压叠加确定的。输入直流电压为330V，次级反射电压定在100V，考虑到变压器漏感引起的尖峰50V，那么所选择的开关管的漏源之间的耐压值至少要500V。开关管导通时流过的电流就是变压器初级流过的电流，变压器初级电流的大小与次级电流以及变比有关。开关管的开通和关断速度和开关管的寄生电容值有关。一般会选择寄生电容值小的，但是有时也会考虑选择寄生电容值大的，这种情况是把寄生电容作为一个参数以实现电路的软开关动作。选择导通电阻小的是为了减少开关管的功耗。

在选择开关管的时候并不是一定要各项参数都很好的管子，因为开关管的参数越好其价格也是越贵的，有些开关管的供应也不是很充足，选择一个合适的开关管就行了，各项参数留有一定的余量。本次选择的开关管型号是SMK0765，其漏源耐压值为650V，能通过7A的电流以及能承受28A的脉冲电流，导通电阻为1.2W（这个值有点大了，可以后续更换掉这颗开关管，换成导通电阻更小的开关管），上升时间、上升延迟时间、下降时间以及下降延迟时间都小于30ns。

 

反馈元件的选择：

反馈元件主要是光耦和431的选择，光耦要选择线性光耦，431在选择的时候要注意431的参考电压是多少（有1.25V的也有2.5V的）。开关电源的光耦主要是隔离、提供反馈信号和开关作用。开关电源电路中光耦的电源是从高频变压器次级电压提供的,当输出电压低于稳压管电压时给信号光耦接通，加大占空比，使得输出电压升高；反之则关断光耦减小占空比，使得输出电压降低。一旦高频变压器次级负载超载或开关电路有故障，就没有光耦电源提供，光耦就控制着开关电路不能起振，从而保护开关管不至被击穿烧毁。TL431是TI公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

本次选择的光耦是EL1018，正向电流有60mA，正向电压1.5V。EL1018具有超高的爬电距离：大于8mm，符合最新安规5000米海拔要求；绝缘电压可达5Kvrms，符合最新安规5000米海拔要求；超低输入启动电流（1mA），超低功耗驱动；符合最新的所有安规及环保要求。

本次选择的TL431的参考电压为2.5V。

 

同步整流元件的选择：

同步整流是采用通态电阻极低的功率MOSFET取代整流二极管以降低损耗的一项新技术。它能显著提升转换效率，并可利用其二次侧的优势改善电源指标，符合开关电源小型化、高能效、智能化的发展趋势。由于本次输出的电流比较大，所以考虑采用同步整流技术。同步整流从拓扑角度上看，可以分为High side和Low side。High side方式整流开关管参考地和输出地分开，EMC较好。Low side方式整流开关管参考地和输出地共地，EMC稍差。本次采用High side的方式实现同步整流。同步整流开关管选择要考虑导通时开关管承受的电流，导通电阻以及漏源之间的耐压值。本次选择的开关管是SIR870ADP，导通时能够承受60A的电流，导通电阻为7mW，漏源之间的耐压值为100V。驱动SIR870ADR的同步整流芯片选择的是MP6908。

 

3 变压器的设计

变压器设计首先考虑的是所设计出来的变压器在任何时刻都不能够饱和，其次是变压器实现功率变换的功能，然后考虑的是变压器的耦合程度、功耗、散热以及体积等。变压器不能够饱和的原因是如果变压器饱和了，那么变压器就失去了抑制电流的作用，此时变压器中的线圈相当于一根导线，这会导致电路发生短路的危险。

变压器的设计步骤一般是确定原副边匝数比、确定原边和副边的匝数、确定绕组的导线线径、确定绕组的导线股数、核算窗口面积。一般使用AP法来确定变压器的磁芯和骨架。其实每个芯片厂商都有提供变压器设计表格，只要我们把输入参数和输出参数确定好，设计表格会自动计算AP的值，然后根据AP的值来选择合适的变压器磁芯和骨架，设计表格会自动根据所选的变压器磁芯和骨架来计算匝比、绕组匝数、线径以及股数。有时候也需要根据实际情况来更改些参数，比如线径、绕组匝数。对于次级输出大电流的场合，要根据实际需要将导线改成铜箔。用铜箔来代替导线时要注意，铜箔的宽度要基本覆盖骨架的窗口高，这样可以减小电磁干扰。在绕制导线和铜箔的时候要注意，采用‘三明治’绕法，导线绕制要均匀紧致，要恰好绕满每一层，不要只绕半层等等，这样有利于减小漏感，铜箔绕制的时候也一样，同一个线圈不需要垫绝缘胶纸，但是不同的线圈之间需要垫绝缘胶纸以及铜箔的每一层都需要垫绝缘胶纸。变压器在做好后还需要测量电感量以及漏感，一般测量初级的电感量就行了，漏感需要每个线圈都测量。变压器的具体设计参数会放在同一个文件夹下。如图2所示为本次绕制的变压器。

图2 变压器视图

4 反馈环路的设计

在设计一款开关电源的时候，有几个设计点需要多留心关注，例如变压器设计、反馈环路设计、滤波电路设计以及PCB布局走线等。其中反馈环路电路设计的优劣决定着输出稳定的重要因素。为什么需要反馈环路？根据开关电源中的计算公式可知输出电压或者输出电流，一般都跟变压器匝比，输入直流电压以及开关管的占空比有关，当然还有些其它的干扰（这个是次要的）。如果输入直流电压是恒定不变的，以及负载也是恒定不变得，那么此时反馈环路就没起多大的作用。但是输入直流电压不会是恒定不变的，负载也不是恒定不变的，还有外加干扰是任何时候都有的，在这种情况下反馈环路就显得尤其重要。反馈环路可以可以使输出保持良好的调整性能，也就是说增强电路的抗扰动能力。可以这么来说，开关电源反馈环路的作用有两个，一个是起到调节控制电压的作用，通过环路反馈控制脉冲电压的占空比来调节输出电压；另一个是起到保护作用，一旦输出电流过大，通过环路反馈控制可以限流或者切断电压输出。

反馈环路设计的好坏可以通过测试反馈电路的波特图可以知道，一般来说都是看相位裕量。所设计出来的反馈环路的响应速度不能太慢也不能太快。如果响应速度太慢，输出会过冲（或者下冲）。若响应速度太快（过度的），输出可能激烈波动，甚至导致完全不稳定（振荡）。反馈环路的设计方法一般有PI、PID、积分电路等几种。基本这些方法都是些电阻、电容和运放共同组成的网络，设计的时候需要根据输出参数，按照公式来计算出电阻值和电容值。但是计算出来的结果也只是大概的参数值，再加上元件值的精度问题，在实际的调试过程中，往往需要适当的修正电阻值和电容值。也可以不手动计算反馈环路的参数值，因为芯片厂家已经把计算公式制作成了电子表格，只需要输入参数就会自动计算出反馈环路的参数，还会绘出伯德图看相位裕量和幅值裕量，可以根据相位图来修正反馈环路的参数值。

对于隔离型开关电源（反激、正激、半桥、全桥）的反馈环路设计都是和TL431、光耦配合来设计的，对于非隔离型开关电源（BUCK、BOOST）的反馈环路设计都在电源管理芯片的FB引脚和COMP引脚来串并联电阻和电容。

5  PCB布局及走线

对于开关电源的PCB布局及走线是一个很重要的环节，不是说原理图是正确的后续的工作就没有了，其实原理图设计的完成只能证明电路原理上是正确的，并不能说明按照这个原理图所设计出的电路板能正常工作，因为PCB合理布局及走线会很大程度上影响电路的正常工作，例如PCB布局不合理，首先会表现出来的就是电路的抗干扰能力差，并且对外辐射能力强。对于走大电流的开关电源而言，PCB布局不合理会造成电路板发热很严重。所以说PCB布局及走线在开关电源的设计中占据很大一部分。对于走高速信号的PCB板更是如此。对于开关电源的布局走线的规则有很多，大体上可归结为为大功率元件放在顶层，贴片放在底层；高电压线以及大电流走线的线宽要达到要求，最好是以敷铜的形式；功率环路和反馈环路要小且两者最好要有一定间距；元件之间要有一定的间隔，元件到PCB边缘要有一定的间隔；芯片供电引脚上并联的电容要尽量靠近芯片电源引脚等等。以下就本次设计的PCB布局走线的一点建议。

对于反激变换器而言，有几个点在布局布线的时候需要注意，例如输入电路部分、变压器部分、电源芯片部分、反馈环路部分。对于输入电路部分而言，输入滤波器元件要布在一个区域且元件之间留有一些间隙，走线尽量走较宽的线或者直接走铜箔。变压器部分是电磁干扰的一个重要干扰源，尽量让变压器靠近整流桥后的储能电容，同时走线也尽量宽，从储能电容到变压器再到主开关管最后在回到储能电容这个回路要小，敏感线路的走线尽量离这个回路要远。电源芯片部分的关注点是芯片的电源引脚要并联一个贴片电容到芯片的地引脚，这个贴片电容的放置位置要靠近芯片的电源管脚，要是由于某些原因不能靠近放置在芯片管脚，也可以放置在芯片电源管脚的背面。反馈环路部分的布局布线，主要关注的还是走线环路以及与大电流线的间距问题。反馈环路上面走的信号都是重要的信号，这些信号去控制电源管理芯片的输出PWM波的占空比来调节输出的稳定。如果反馈环路上的信号受到了干扰，那么势必会影响输出的稳定。反馈环路的走线要远离与变压器相连的走线，也要远离主开关管，要是电路板上还有大电流的走线或者高速信号的走线，反馈信号的走线也要远离这些走线。反馈环路的走线大致可以分为TL431部分的走线以及光耦部分的次级走线，TL431是取出反馈信号，光耦的次级将反馈信号反应到电源管理芯片。其中特别是光耦次级到电源芯片走线的这个环路要小。

 

6 电源板调试经验

对于开关电源有许多的测试项，具体有功能测试、保护动作测试、安全规格测试、异常测试、电磁兼容测试、可靠性测试以及其它的测试。

功能测试：输出电压调整、电源调整率、负载调整率、综合调整率、输出涟波及杂讯、输入功率及效率、动态负载或暂态负载、电源良好/失效时间、起动及保持时间。

保护动作测试：过电压保护、短路保护、过电流保护、过功率保护。

安全规格测试：输入电流、漏电电流、耐压绝缘、温度抗燃、机壳接地、变压输出特性。

异常测试：散热风扇停转、电压选择开关设定错误。

电磁兼容测试：传导干扰/免疫、辐射干扰/免疫。

可靠性测试：老化测试（高温约50-60度及长时间约8-24小时满载测试）

其它测试：ESD、EFT、Surge、Inrush

以上的这些测试在设计开关电源的过程中都是必须要做的，只有通过了这些测试，才能在市面上出售。这些测试的每一项都比较复杂，具体的可以去查看相关的文档，在此仅介绍本次设计时所遇到的问题以及解决的方案。以下部分将介绍本次从上电第一次测试到最后把输出调试正常的整个过程。

在拿到PCB板后，先大致看下PCB板有没有什么明显的问题，用万用表测试下板子的电源和地有没有短路。PCB板没有什么明显的错误就开始焊接元器件，在焊接的时候要注意，二极管的方向、开关管的方向、电容的正负极等，在焊接贴片元件的时候要注意贴片元件不要焊短路，元件焊接要饱满避免出现虚焊的情况。

在焊接好后最好在检测下，电路有没有短路，有极性元件的方向有没有焊反等。电路板焊好以后接下来就是调试了，一般是用一个工频变压器慢慢加电来调试。在低压（比如30V）的时候看下板子有没有出现什么问题，比如芯片有没有冒烟、元件有没有炸裂等现象。这一步是确定电路板上电会不会炸。然后可以在用示波器或者万用表看下输出电压、电源芯片各个管脚的电压情况，记录下来。低压上电正常就可以把电压加到100V，在测试下输出电压、芯片管脚电压、驱动波形等。上电一段时间后用测温枪测下主开关管的温度、变压器温度、变压器次级整流二极管温度。

以下就测试过程中遇到的问题，以及解决过程简单的描述下。把PCB板上电源部分的元器件全部焊好后，用万用表测试下板子有没有短路。加上强电后发现没有输出，然后就用示波器测试电源管理芯片HFC0500的HV引脚，发现HV脚上的波形异常，本来HV上的波形是把正弦波的负半周翻转过来的，也就是一个‘馒头波’，可是示波器上显示的是这个‘馒头波’上叠加有干扰电压，干扰电压类似于充电然后在放电的过程。考虑的是，是不是后级电路的影响，然后就把开关管断开了。在此测试还是出现一样的问题，就说明这不是后面电路的问题，又测试了整流桥前的220V/50HZ的正弦波，和整流桥后的储能电容两端电压，发现都是正常的。然后就考虑是不是元件焊接有问题或者PCB半有问题，果然发现了两个问题，一个是PCB板上有一个地线忘记连上了，就用导线把地线连上了；另一个问题就是变压器有一个绕组输出结合一个线性电路来给电源管理芯片的VCC供电，线性电路的稳压二极管方向焊反了，此时没有把稳压二极管纠正过来，先上电测试下。上电后，HV脚上的波形正常了。然后把后级电路焊接好，在测试发现还是没有输出，就检测VCC上的电压，VCC上的电压是一个脉动的三角波，这个三角波是HV通过HFC0500内部电路充电形成的。此时再把稳压二极管重新按照正确的接法焊好，发现有输出了，但是输出纹波很大，电压一会高，一会低。很明显是没有稳压，这个时候就检测光耦的次级和HFC0500的FB脚的电压情况，发现FB上一直是高电平，也就是说光耦没有反馈。一开始以为是光耦的初级电流不够，就把光耦初级串联的电阻减小了，发现还是一样。就在此检测PCB和原理图，发现光耦的次级引脚焊反了，就用导线重新焊接。导线重新焊接后，输出正常了。以上就是整个调试过程。