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如何設(shè)計一個好的開關(guān)電源模塊

2020-12-15

通常要選擇一個理想的電源解決方案,必須根據(jù)不同的應(yīng)用選擇不同的電源模塊,但是在大多數(shù)時候,市場、尺寸、功耗及成本決定了采用什么樣的電源模塊。

 

首先要評估系統(tǒng)的模塊電源需求

對于電子系統(tǒng),模塊電源需求不僅僅是關(guān)心輸入電壓、輸出電壓和電流,還要考慮功耗,電源效率,電源對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力,關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍,允許的電源紋波以及散熱問題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的,效率高了,在負載功耗相同的情況下總功耗就少。對比LDO和開關(guān)電源模塊,開關(guān)電源模塊的效率要高一些。在看滿負載的電源電路效率時,也要關(guān)注輕負載的效率。

 

至于負載瞬態(tài)響應(yīng)能力,對于一些高性能的CPU應(yīng)用就會有嚴格的要求,因為當CPU突然開始運行繁重的任務(wù)時,需要的啟動電流是很大的。如果電源電路響應(yīng)速度不夠,造成瞬間電壓下降過多過低,會造成CPU運行出錯。散熱問題對于那些大電流電源和LDO來說比較重要,通過計算也是可以評估是否合適。

 

如何選擇合適的電源模塊電路?

根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標,可以來選擇合適的電路了。一般對于弱電部分,包括了LDO(線性電源轉(zhuǎn)換器)、開關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下,LDO設(shè)計最易實現(xiàn),輸出紋波小,但缺點是效率不高,發(fā)熱量大,可提供的電流相較開關(guān)電源不大。而開關(guān)電源電路設(shè)計靈活,效率高,但紋波大,實現(xiàn)比較復(fù)雜,調(diào)試比較煩瑣。

 

如何為開關(guān)電源模塊選擇合適的元器件和參數(shù)?

很多未使用過模塊電源設(shè)計的工程師會對它產(chǎn)生一定的畏懼心理,比如擔(dān)心開關(guān)電源模塊的干擾問題、PCBlayout問題、元器件的參數(shù)和類型選擇問題。其實只要了解了,使用設(shè)計是非常方便的,不僅簡化了PCB設(shè)計,而且設(shè)計的靈活性更強。開關(guān)控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng),所以一般都會有一個反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計在于保證精確的采樣電路,還有來控制反饋深度,如果反饋環(huán)響應(yīng)過慢的話,對瞬態(tài)響應(yīng)能力是會有很多影響的。

 

輸出部分設(shè)計包含了輸出電容、輸出電感以及MOSFET等等,這些的選擇基本上就是要滿足一個性能和成本的平衡,比如高的開關(guān)頻率就可以使用小的電感值(意味著小的封裝和便宜的成本),但是高的開關(guān)頻率會增加干擾和對MOSFET的開關(guān)損耗,從而效率降低。使用低的開關(guān)頻率帶來的結(jié)果則是相反的。對于輸出電容的ESRMOSFETRds_on參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的,小的ESR可以減小輸出紋波,但是電容成本會增加。開關(guān)電源控制器驅(qū)動能力也要注意,過多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動的。一般來說,元器件的供應(yīng)商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒。

 

比較好的電源模塊?

一個好的開關(guān)電源模塊,其技術(shù)和工藝設(shè)計也一定是優(yōu)秀的,如電路元件布局、多層板設(shè)計及高頻變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計等等。模塊電源是一個裝配技術(shù),其工藝設(shè)計、新電路和新元器件也是一個重要內(nèi)容。

 

單個的開關(guān)電源模塊,幾乎很難通過surge、EFTCE、REEMC實驗,國外的電源模塊盡管其可靠性高、壽命長、EMI控制得很好,但其抗干擾性(Surge、EFT)的性能不強。因此,根據(jù)開關(guān)電源模塊特性,做好外圍電路的EMC與防護設(shè)計,是設(shè)備通過EMC測試,提高其現(xiàn)場抗干擾性的關(guān)鍵所在。

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