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    愛浦工程師讀《精通開關電源》后留下的總結和疑問

    發布時間: 2018/7/13 8:42:06 | 473 次閱讀

    1.1簡介

    老師把開關電源描述成一個規模龐大的運輸系統,把規定時間內運輸一定量的旅客比作功率。一種使用大型客車,但是相隔時間長,另一只就是用小型貨車,相隔時間很短。這樣就解釋了開關電源的頻率高的問題,問題形容的生動形象。減小能量包的大小,從而減小用來存儲和傳輸能量的尺寸。1.2.6通過電抗元件獲得高效率

    現代開關電源效率高的根本原因是電容和電感的有效共同使用。

    電容和電感被歸類為電抗元件,因為他們具有獨特的儲能作用,該功能使其不發生功耗(本身不消耗能量),僅將所獲得的能量儲存起來。

    電容儲存的能量成為靜電能量。

    電感儲存的能量成為磁能。

    1.2 概述和基本術語

       1.2.1 效率

       經驗表明,溫度每升高10°C,系統失效的可能性就會加倍。因此,作為設計人員的技能之一就是盡量減小溫升,由此提高效率。

    1.2.2 線性調整器

    低壓降調整器,英文縮寫LDO,一般認為壓降約為200mV或者更低才能稱為LDO。而傳統線性調整器的壓降通常約為2V,還有一種中間類型稱為準LDO,其壓降介于兩者之間,約為1V。

    線性調整器的優點在于非常安靜,沒有噪聲,也沒有電磁干擾(EMI)。

    通常,開關調整器在輸入和輸出端都需要接濾波器來減小噪聲,因為這些噪聲與鄰近設備相互干擾,并可能引起故障。開關變換器仍需要接入電感和定容組合的濾波器,有時甚至需要更多級濾波器來進一步衰減噪聲。

    1.2.3 通過使用開關器件提高效率

    實際開關過程有損耗,原因之一在于晶體管不可能完全地導通和關斷,當它導通時,晶體管上有很小的壓降;當它處于關斷狀態時,仍有很小的電流流過。另外,器件的開關不是瞬時完成的,半導體器件的導通和關斷的狀態轉換通常需要一個過程。在此區間,V*I不為零,產生了額外的損耗。

    半導體器件極大地增強了變換器的可靠性和使用壽命。其優點是它不像機械開關那樣有物理慣性,從而能夠在導通和關斷兩種狀態間非常迅速地重復轉換。

    書中提到:“開關變換的速度幾乎完全由外部驅動電路的功率和有效性確定!睘槭裁词球寗与娐返墓β拾?(疑問)    

    1.2.4 半導體開關器件基本類型

    NPN型晶體管比PNP型晶體管使用廣泛的原因是價格低廉。

    MOSFET為電壓型控制

    BJT為電流型控制

    現代MOSFET在其導通和關斷的轉換過程中也需要有一定的門極電流。

    BJT通常更適合于大電流裝置,因為其導通壓降是一常數,甚至在電流很大時也不變。這很大程度上降低了開關損耗,特別是開關頻率不太高時效果更明顯。MOSFET的導通壓降與通過的電流成比例,當負載很大時其導通損耗就很大。

    IGBT適合于較低頻率,大電流裝置,其驅動比BJT的要簡單的很多。

    1.2.5 半導體開關器件并非理想器件

    開關器件導通時會有雖小但不可忽略的正向導通壓降,這將產生較大的導通損耗。

    在轉換時間或交叉時間內,無法使V=0或I=0,所以V*I不為零,這將導致額外的開關損耗,成為交叉損耗。

    若有降低晶體管的正向導通壓降以減小導通損耗,就可能造成開關轉換速度變慢,從而增加損耗。

    無論在開關導通或關斷時改變開關狀態都會使得輸入與輸出有效隔開,但是輸出端負載總是乣連續的能量供給。因此需在變換器一定位置引入儲能元件。

    電感能限制電流上升速度而沒有功耗,電感與電容配合后終可以限制電容的浪涌電流,因而電感成為我們的選擇。

    續流二極管別名:鉗位二極管,換流二極管,輸出二極管。

    1.2.8 基于LC的開關調整器

    諧振拓撲,這類拓撲的開關頻率需調整,而設計者通常希望調整器頻率能夠恒定。

    實際上,任何變頻的開關拓撲都將產生難以預測的不同頻率的電磁干擾和噪聲。為減少這些危害,需要使用相當復雜的濾波器。因此,諧振拓撲在商用領域未能得到廣泛應用。

    1.2.9 寄生參數的影響

    實際應用中電抗元件的溫升可歸因于其自身固有的低值寄生電阻的熱損耗。

    電感除了有基本參量電感L外,還有非零直流電阻(DCR),主要來源于繞組銅線。

    類似,實際電容除含有基本參量電容C,也含有少量的等效串聯電阻(ESR)。

    器件的正向導通壓降一定意義上也可看做串聯寄生電阻產生的導通損耗。

    為提高效率,通常應減小所有這些電阻性或電抗性寄生參數。他們是妨礙變換器達到100%效率的首要原因。當然,要保證其合理性和性價比。

    正常工作條件下,電壓控制開關調整器實際上市依靠輸出電容寄生的等效串聯電阻(esr)來將強環路穩定。

    這句話什么意思,誰能給解釋一下,謝謝。ㄒ蓡枺

    一定的寄生電感在開關導通瞬間起很好的作用,開關的寄生電容在開關關斷瞬間是有益的。

    1.2.10 高頻率開關時產生的問題

    某些損耗隨溫度升高而增加,如MOSFET的導通損耗。

    鋁電解電容隨溫度升高損耗降低。因為其ESR隨頻率升高而減小

    選擇高開關頻率的首要原因僅是使變化器能在超過人的聽覺范圍的頻率上工作。

    另一原因是減小電源中器件的體積。電感尺寸與開關頻率成反比。

    限制頻率提高的衛衣原因是開關損耗,開關損耗與開關頻率成比例。

    熱管理是良好的電源設計重要的目標之一。

    鋁電解電容隨溫度升高損耗降低。

    其實不一定,鋁電解溫度升高,容量下降,輸出紋波增大,效率也降低了

    這就要看Resr降低多少

    1.2.11 可靠性,使用壽命和熱管理

    熱管理的含義是盡可能吸收電源散發到四周的熱量,從而降低其溫度。

    可靠性按正弦指數衰減。

    溫度沒升高10°C,失效率加倍。

    鋁電解電容的內部電解液會隨時間而揮發,導致電容失效。

    延長使用壽命與提高可靠性的方方是降低電源中元件的溫度以及電源內部環境溫度。這需要外殼痛風性好,在PCB上多裝散熱片,甚至內置風扇將熱空氣排出,當然,也要考慮風扇得失效率和使用壽命。

    某些損耗會隨溫度的升高而減小,但是企圖以提高溫升來實現效率的提高和性能改善的想法是不可取的,因為溫升會顯著影響系統的穩定性。

    一個的設計師終平衡考慮可靠性,使用壽命,成本,性能,尺寸等因素,做出合理的選擇。

    1.2.13 技術進步

    肖特基二極管它有很大的漏電流而且反向電壓不超過100V,雖然導通壓降低。

    功率變換的三種主要拓撲BUCK,boost,buck-boost。

    1.3.2電感電容充電/放電電路

    對偶原理:電容可以視為電感的倒相(鏡像),因為兩者的電壓-電流方程可以相互轉換,只需將電壓,電流互換即可。

    對偶原理--是由電路元素間的對偶性歸納出的基本規律。內容為:如果某些電路元素決定的關系成立,則把這些電路元素用各自的對偶元素置換后得到的新關系亦必成立,而且這新關系與已有的關系又相互對偶

    電感感應電壓依賴于電流的改變,電流必須改變才能產生感應電壓。

    1.3.5 串聯電阻對時間常數的影響

    電感充電電路時間t=L/R.電容為t=R*C.

    時間常數定義為電流達到期望值63%所需的時間。

    指數衰減曲線的時間常數定義為其值將為初始值37%時所用時間。

    開關關斷階段電感電壓完全由電流決定,電壓波形完全遵循電流波形而非其他因素。

    1.3.7 對偶原理

    對偶原理描述兩個外觀不同電路之間的轉換,當電流和電壓相互影響時這兩個電路具有相同特性。對偶轉換僅適用于平面電路,涉及拓撲中元素變換:電容與電感互換,電阻與導納互換,電壓源與電流源互換。

    V=L*di/dt(電感方程)

    I=C*dv/dt(電容方程)

    1.3.9 電感放電階段

    電容兩端短接時電容會在短時間內放完電,產生很大的沖擊電流,其兩端電壓也迅速降為零。

    突然斷開電感,電感電流迅速下降,在開關兩觸點間產生電弧,這兒電弧一直持續到電感中儲能為零,這是汽車火花塞和相機閃光燈的原理。開關兩觸電間電壓等于感應電壓與外加直流電壓之和。

    若使電感電流迅速降為零,會在電感上產生很高的感應電壓。

    1.3.10 反饋能量和續流電流

    電感儲能和其流過電流有關,開關關斷期間有感應電壓和電流,感應電壓引起感應電流逐步下降,感應電壓越高,電流下降越快。V=L*di/dt。

    DCM-斷續模式,在DCM中電流波形有一段為零,計算平均電流需要更詳細的計算公式,這是DCM方程看上去如此復雜的根本原因。盡管變換器工作于DCM比CCM有更多優點,但是很多工程師仍然有意忽略DCM。

    CCM連續模式

    BCM臨界連續模式,變換器不能設定其工作頻率。

    MOSFET的導通壓降遠低于二極管的壓降。同步拓撲不需要分析復雜的DCM方程。

    1.3.14 伏秒法則,電感復位和變換器占空比

    穩定狀態下加在電感兩端的電壓乘以導通時間等于關斷時刻電感電壓乘以關斷時間。

    P27,書中談論Et那段,原文“Et為電感電壓乘以時間以ms(微秒)而非s秒為單位的時間量”,單位ms(毫秒)應該是編寫錯了,有點誤差,有這本書的朋友可以幫忙驗證一下。(疑問)

    1.3.15 半導體開關的使用及保護

    半導體器件的額定電流取決于內部相對較慢的發熱效應。因此,可以在短時間內一定程度上超過此額定電流。

    設計變換電路,選擇開關器件,然后PCB,特別注意危害開關器件及其他半導體器件的電壓尖峰,有時需要緩沖電路。常用限流電路防止開關盒變換器過流。

    3843的3腳就有這個功能吧?限流電阻。門限1V

    1.4 通過二極管控制感應電壓尖峰

    產生電感電壓尖峰的原因是電路中無法提供電感電流所需回路,從而在開關上產生電弧以維持電流續流。

    輸出電容會增加開關關斷時期電感電壓Voff,從而增加電感電流下降斜率。

    1.4.6 開關節點

    在開關器件與二極管之間設置的電感電流換流節點成為開關節點。

    設計PCB時需特別注意防止在開關節點處布過多的銅絲,否則它可能成為電磁場天線,向四周輻射射頻干擾,輸出導線會吸收此干擾并直接傳遞到輸出。

    1.4.8 buck-boos電路的性質

    是的純“反激式”拓撲,從輸入傳遞到輸出的所有能量必須先儲存于電感中,其他電路都不具有此特性。

    任何變換器中二極管電流都為脈動電流。

    發熱損耗與電流RMS值成比例,脈動電流RMS值很大,降低了BUCK-BOOST電路的效率。同時會在PCB上產生相當大的噪聲和紋波,需要在輸入和輸出端安裝濾波器。

    輸出電容平均電流一直為零,穩定工作時流過電容的電流必須為零。對偶原理,和電感類似

    基本設計理論表明電感電流峰值約為其平均值的1.2倍,因此選擇電感式要確保其額定電流值至少為1.2*IL

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