電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了電源技術(shù)這一領(lǐng)域的飛速前進(jìn)，同時(shí)也給電源工程技術(shù)人員帶來(lái)了的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，小到家用電器，大到大型電力行業(yè)所用的儀器設(shè)備，無(wú)不需要電源來(lái)提供能源，這也更需要大量具有電源專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平的工程師來(lái)完成設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。
而電源工程師主要是指從事開(kāi)關(guān)、通訊、設(shè)備等電源的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作的相關(guān)人員。
那么，一個(gè)成熟的電源工程師是怎樣工作的呢？主要有十點(diǎn)
一：接過(guò)電源設(shè)計(jì)要求！評(píng)估成本，定可行性方案。
二：根據(jù)客戶(hù)報(bào)價(jià)！給定大體的元件成本與生產(chǎn)成本，可行性電路。
三：構(gòu)想出原理圖！確定所選取的功率管，變壓器，穩(wěn)定簡(jiǎn)單生產(chǎn)又方便的原理方案。
四：根據(jù)原理圖，客戶(hù)給定的樣板要求或外殼要求設(shè)計(jì)pcb。
五：根據(jù)原理圖，裝配合適元件，對(duì)電器參數(shù)調(diào)整。讓本機(jī)在低要求下能正常工作。
六：上負(fù)載測(cè)試，功率達(dá)80測(cè)式，檢查輸出波形，電壓要求，電磁性能，功率管溫度，電壓穩(wěn)定度，轉(zhuǎn)換效率。在這一個(gè)程中，對(duì)電子元件進(jìn)行合適的參數(shù)調(diào)整。
七：強(qiáng)化測(cè)試！也就是超負(fù)何，短路，低壓，過(guò)壓，強(qiáng)溫，防震等測(cè)試。
八：根據(jù)樣板確定原理圖準(zhǔn)確的參數(shù)，定好方位圖，物料圖，發(fā)給生產(chǎn)部，倉(cāng)管，跟單員，對(duì)樣板進(jìn)行小批量生產(chǎn)。
九：對(duì)樣板進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，各種性能ok，由業(yè)務(wù)員發(fā)給客戶(hù)評(píng)估。ok了，可以量產(chǎn)。
十：以后生產(chǎn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤，改良，以最短時(shí)間，最好質(zhì)量給客戶(hù)出貨。
作為一名合格的電源工程師平時(shí)工作經(jīng)驗(yàn)的積累很重要，但同時(shí)也應(yīng)該提高理論水平，通過(guò)積累幾個(gè)常用的電源電路，說(shuō)不定下次就能用上，真是學(xué)習(xí)吧！
反激式電源中的鐵氧體磁放大器對(duì)于兩個(gè)輸出端都提供實(shí)際功率(5v 2a和12v 3a），兩者都可實(shí)現(xiàn)± 5%調(diào)節(jié))的雙路輸出反激式電源來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓達(dá)到12v時(shí)會(huì)進(jìn)入零負(fù)載狀態(tài)，而無(wú)法在5%限度內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。線(xiàn)性穩(wěn)壓器是一個(gè)可實(shí)行的解決方案，但由于價(jià)格昂貴且會(huì)降低效率，仍不是理想的解決方案。
我們建議的解決方案是在12v輸出端使用一個(gè)磁放大器，即便是反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可使用。為了降低成本，建議使用鐵氧體磁放大器。然而，鐵氧體磁放大器的控制電路與傳統(tǒng)的矩形磁滯回線(xiàn)材料(高磁導(dǎo)率材料)的控制電路有所不用。鐵氧體的控制電路(d1和q1)可吸收電流以便維持輸出端供電。該電路已經(jīng)過(guò)全面測(cè)試。變壓器繞組設(shè)計(jì)為5v和13v輸出。該電路在實(shí)現(xiàn)12v輸出± 5%調(diào)節(jié)的同時(shí)，甚至還可以達(dá)到低于1w的輸入功率(5v 300 mw和12v零負(fù)載)。
使用現(xiàn)有的消弧電路提供過(guò)流保護(hù)考慮一下5v 2a和12v 3a反激式電源。該電源的關(guān)鍵規(guī)范之一便是當(dāng)12v輸出端達(dá)到空載或負(fù)載極輕時(shí)，對(duì)5v輸出端提供過(guò)功率保護(hù)(opp)。這兩個(gè)輸出端都提出了± 5%的電壓調(diào)節(jié)要求。
對(duì)于通常的解決方案來(lái)說(shuō)，使用檢測(cè)電阻會(huì)降低交叉穩(wěn)壓性能，并且保險(xiǎn)絲的價(jià)格也不菲。而現(xiàn)在已經(jīng)有了用于過(guò)壓保護(hù)(ovp)的消弧電路。該電路能夠同時(shí)滿(mǎn)足opp和穩(wěn)壓要求，使用部分消弧電路即可實(shí)現(xiàn)該功能。
從圖2可以看出，r1和vr1形成了一個(gè)12v輸出端有源假負(fù)載，這樣可以在12v輸出端輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)12v電壓調(diào)節(jié)。在5v輸出端處于過(guò)載情況下時(shí)，5v輸出端上的電壓將會(huì)下降。假負(fù)載會(huì)吸收大量電流。r1上的電壓下降可用來(lái)檢測(cè)這一大量電流。q1導(dǎo)通并觸發(fā)opp電路。
有源并聯(lián)穩(wěn)壓器與假負(fù)載在線(xiàn)電壓ac到低壓dc的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品領(lǐng)域中，反激式是目前流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這其中的一個(gè)主要原因是其的成本效益，只需向變壓器次級(jí)添加額外的繞組即可提供多路輸出電壓。
通常，反饋來(lái)自對(duì)輸出容差有嚴(yán)格要求的輸出端。然后，該輸出端會(huì)定義所有其它次級(jí)繞組的每伏圈數(shù)。由于漏感效應(yīng)的存在，輸出端不能始終獲得所需的輸出電壓交叉穩(wěn)壓，特別是在給定輸出端因其它輸出端滿(mǎn)載而可能無(wú)負(fù)載或負(fù)載極輕的情況下更是如此。
可以使用后級(jí)穩(wěn)壓器或假負(fù)載來(lái)防止輸出端電壓在此類(lèi)情況下升高。然而，由于后級(jí)穩(wěn)壓器或假負(fù)載會(huì)造成成本增加和效率降低，因而它們?nèi)狈ψ銐虻奈Γ貏e是在近年來(lái)對(duì)多種消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中的空載和/或待機(jī)輸入功耗的法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格的情況下，這一設(shè)計(jì)開(kāi)始受到冷落。圖3中所示的有源并聯(lián)穩(wěn)壓器不僅可以解決穩(wěn)壓?jiǎn)栴}，還能夠最大限度地降低成本和效率影響。
該電路的工作方式如下：兩個(gè)輸出端都處于穩(wěn)壓范圍時(shí)，電阻分壓器r14和r13會(huì)偏置三極管q5，進(jìn)而使q4和q1保持在關(guān)斷狀態(tài)。在這樣的工作條件下，流經(jīng)q5的電流便充當(dāng)5v輸出端很小的假負(fù)載。
5v輸出端與3.3v輸出端的標(biāo)準(zhǔn)差異為1.7v。當(dāng)負(fù)載要求從3.3v輸出端獲得額外的電流，而從5v輸出端輸出的負(fù)載電流并未等量增加時(shí)，其輸出電壓與3.3v輸出端的電壓相比將會(huì)升高。由于電壓差異約超過(guò)100 mv，q5將偏置截止，從而導(dǎo)通q4和q1并允許電流從5v輸出端流到3.3v輸出端。該電流將降低5v輸出端的電壓，進(jìn)而縮小兩個(gè)輸出端之間的電壓差異。
q1中的電流量由兩個(gè)輸出端的電壓差異決定。因此，該電路可以使兩個(gè)輸出端均保持穩(wěn)壓，而不受其負(fù)載的影響，即使在3.3v輸出端滿(mǎn)載而5v輸出端無(wú)負(fù)載這樣最差的情況下，仍能保持穩(wěn)壓。設(shè)計(jì)中的q5和q4可以提供溫度補(bǔ)償，這是由于每個(gè)三極管中的vbe溫度變化都可以彼此抵消。二極管d8和d9不是必需的器件，但可用于降低q1中的功率耗散，從而無(wú)需在設(shè)計(jì)添加散熱片。
該電路只對(duì)兩個(gè)電壓之間的相對(duì)差異作出反應(yīng)，在滿(mǎn)載和輕負(fù)載條件下基本不起作用。由于并聯(lián)穩(wěn)壓器是從5v輸出端連接到3.3v輸出端，因此與接地的并聯(lián)穩(wěn)壓器相比，該電路的有源耗散可以降低66%。其結(jié)果是在滿(mǎn)載時(shí)保持高效率，從輕負(fù)載到無(wú)負(fù)載的功耗保持較低水平。
采用stackfet的高壓輸入開(kāi)關(guān)電源使用三相交流電進(jìn)行工作的工業(yè)設(shè)備常常需要一個(gè)可以為模擬和數(shù)字電路提供穩(wěn)定低壓直流電的輔助電源級(jí)。此類(lèi)應(yīng)用的范例包括工業(yè)傳動(dòng)器、ups系統(tǒng)和能量計(jì)。
此類(lèi)電源的規(guī)格比現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)所需的規(guī)格要嚴(yán)格得多。不僅這些應(yīng)用中的輸入電壓更高，而且為工業(yè)環(huán)境中的三相應(yīng)用所設(shè)計(jì)的設(shè)備還必須容許非常寬的波動(dòng)—包括跌落時(shí)間延長(zhǎng)、電涌以及一個(gè)或多個(gè)相的偶然丟失。而且，此類(lèi)輔助電源的輸入電壓范圍可以達(dá)到57 vac至580 vac之寬。
設(shè)計(jì)如此寬范圍的開(kāi)關(guān)電源可以說(shuō)是一大挑戰(zhàn)，主要在于高壓mosfet的成本較高以及傳統(tǒng)的pwm控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)范圍的限制。stackfet技術(shù)允許組合使用不太昂貴的、額定電壓為600v的低壓mosfet和power integrations提供的集成電源控制器，這樣便可設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單便宜并能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作的開(kāi)關(guān)電源。
該電路的工作方式如下：電路的輸入端電流可以來(lái)自三相三線(xiàn)或四線(xiàn)系統(tǒng)，甚至來(lái)自單相系統(tǒng)。三相整流器由二極管d1-d8構(gòu)成。電阻r1-r4可以提供浪涌電流限制。如果使用可熔電阻，這些電阻便可在故障期間安全斷開(kāi)，無(wú)需單獨(dú)配備保險(xiǎn)絲。pi濾波器由c5、c6、c7、c8和l1構(gòu)成，可以過(guò)濾整流直流電壓。
電阻r13和r15用于平衡輸入濾波電容之間的電壓。
當(dāng)集成開(kāi)關(guān)(u1)內(nèi)的mosfet導(dǎo)通時(shí)，q1的源端將被拉低，r6、r7和r8將提供柵極電流，并且vr1到vr3的結(jié)電容將導(dǎo)通q1。齊納二極管vr4用于限制施加給q1的柵極源電壓。當(dāng)u1內(nèi)的mosfet關(guān)斷時(shí)，u1的漏極電壓將被一個(gè)由vr1、vr2和vr3構(gòu)成的450 v箝位網(wǎng)絡(luò)箝位。這會(huì)將u1的漏極電壓限制到接近450 v。
與q1相連的繞組結(jié)束時(shí)的任何額外電壓都會(huì)被施加給q1。這種設(shè)計(jì)可以有效地分配q1和u1之間的整流輸入直流電壓和反激式電壓總量。電阻r9用于限制開(kāi)關(guān)切換期間的高頻振蕩，由于反激間隔期間存在漏感，箝位網(wǎng)絡(luò)vr5、d9和r10則用于限制初級(jí)上的峰值電壓。
輸出整流由d1提供。c2為輸出濾波器。l2和c3構(gòu)成次級(jí)濾波器，以減小輸出端的開(kāi)關(guān)紋波。
當(dāng)輸出電壓超過(guò)光耦二極管和vr6的總壓降時(shí)，vr6將導(dǎo)通。輸出電壓的變化會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)u2內(nèi)的光耦二極管的電流發(fā)生變化，進(jìn)而改變流經(jīng)u2b內(nèi)的晶體管的電流。當(dāng)此電流超出u1的fb引腳閾值電流時(shí)，將抑制下一個(gè)周期。輸出穩(wěn)壓可以通過(guò)控制使能及抑制周期的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。一旦開(kāi)關(guān)周期被開(kāi)啟，該周期便會(huì)在電流上升到u1的內(nèi)部電流限制時(shí)結(jié)束。r11用于限制瞬態(tài)負(fù)載時(shí)流經(jīng)光耦器的電流，以及調(diào)整反饋環(huán)路的增益。電阻r12用于偏置齊納二極管vr6。
ic u1 (lnk 304)具有內(nèi)置功能，因此可根據(jù)反饋信號(hào)消失、輸出端短路以及過(guò)載對(duì)該電路提供保護(hù)。由于u1直接由其漏極引腳供電，因此不需要在變壓器上添加額外的偏置繞組。c4用于提供內(nèi)部電源去耦。
選擇好的整流二極管可以簡(jiǎn)化ac/dc轉(zhuǎn)換器中的emi濾波器電路并降低其成本該電路可以簡(jiǎn)化ac/dc轉(zhuǎn)換器中的emi濾波器電路并降低其成本。
要使ac/dc電源符合emi標(biāo)準(zhǔn)，就需要使用大量的emi濾波器器件，例如x電容和y電容。ac/dc電源的標(biāo)準(zhǔn)輸入電路都包括一個(gè)橋式整流器，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流(通常為50-60 hz)。由于這是低頻ac輸入電壓，因此可以使用如1n400x系列二極管等標(biāo)準(zhǔn)二極管，另一個(gè)原因是這些二極管的價(jià)格是便宜的。
這些濾波器器件用于降低電源產(chǎn)生的emi，以便符合已發(fā)布的emi限制。然而，由于用來(lái)記錄emi的測(cè)量只在150 khz時(shí)才開(kāi)始，而ac線(xiàn)電壓頻率只有50或60 hz，因此橋式整流器中使用的標(biāo)準(zhǔn)二極管(參見(jiàn)圖1)的反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，且通常與emi產(chǎn)生沒(méi)有直接關(guān)系。
然而，過(guò)去的輸入濾波電路中有時(shí)會(huì)包括一些與橋式整流器并聯(lián)的電容，用來(lái)抑制低頻輸入電壓整流所造成的任何高頻波形。
如果在橋式整流器中使用快速恢復(fù)二極管，就無(wú)需使用這些電容了。當(dāng)這些二極管之間的電壓開(kāi)始反向時(shí)，它們的恢復(fù)速度非?？?參見(jiàn)圖2)。這樣通過(guò)降低隨后的高頻關(guān)斷急變以及emi，可以降低ac輸入線(xiàn)中的雜散線(xiàn)路電感激勵(lì)。由于2個(gè)二極管可以在每半個(gè)周期中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，因此4個(gè)二極管中只需要2個(gè)是快速恢復(fù)類(lèi)型即可。同樣，在每半個(gè)周期進(jìn)行導(dǎo)通的兩個(gè)二極管中，只需要其中一個(gè)二極管具有快速恢復(fù)特性即可。
用軟啟動(dòng)禁止低成本輸出來(lái)遏制電流尖峰為滿(mǎn)足嚴(yán)格的待機(jī)功耗規(guī)范要求，一些多路輸出電源被設(shè)計(jì)為在待機(jī)信號(hào)為活動(dòng)狀態(tài)時(shí)斷開(kāi)輸出連接。
通常情況下，通過(guò)關(guān)閉串聯(lián)旁路雙極晶體管(bjt)或mosfet即可實(shí)現(xiàn)上述目的。對(duì)于低電流輸出，如果在設(shè)計(jì)電源變壓器時(shí)充分考慮到晶體管的額外壓降情況，則bjt可成為mosfet的合適替代品，且成本更為低廉。
圖十所示為簡(jiǎn)單的bjt串聯(lián)旁路開(kāi)關(guān)，電壓為12 v，輸出電流強(qiáng)度為100 ma，并帶有一超大電容(cload)。晶體管q1為串聯(lián)旁路元件，由q2根據(jù)待機(jī)信號(hào)的狀態(tài)來(lái)控制其開(kāi)關(guān)。電阻r1的值是額定的，這樣可確保q1有足夠的基值電流在最小beta和最大的輸出電流下以飽和的狀態(tài)工作。pi建議額外添加一個(gè)電容器(cnew)，用以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)的瞬態(tài)電流。如果不添加cnew，q1在導(dǎo)通后即迅速進(jìn)入電容性負(fù)載，并因而產(chǎn)生較大的電流尖峰。為調(diào)節(jié)該瞬態(tài)尖峰，需要增加q1的容量，這便導(dǎo)致了成本的增加。
用作q1額外“密勒電容”的cnew可以消除電流尖峰。該額外電容可限制q1集電極的dv/dt值。dv/dt值越小，流入cload的充電電流就越少。為cnew電容值，使得q1的理想輸出dv/dt值與cnew值相乘等于流入r1的電流。
學(xué)完這些典型的電源電路，下面通過(guò)利用lm317制作簡(jiǎn)易電源設(shè)計(jì)電路。
lm317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的簡(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。其主要性能參數(shù)如下。
輸出電壓：1.25-37v dc;輸出電流：5ma-1.5a;芯片內(nèi)部具有過(guò)熱、過(guò)流、短路保護(hù)電路;最大輸入-輸出電壓差：40v dc，最小輸入-輸出電壓差：3v dc;使用環(huán)境溫度：-10-+85℃ 。
由于輸出端(2腳)與調(diào)節(jié)輸入端(3腳)之間的電壓保持在1.25v，調(diào)整接在輸出端與地之間的分壓電阻r1和r2來(lái)改變adj端的電位，可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，原理如下：
r1兩端的1.25v恒定電壓產(chǎn)生的恒定電流流過(guò)r1和r2，在r2上產(chǎn)生的電壓加到adj端。此時(shí)，輸出電壓vo取決于r1和r2的比值，當(dāng)r2阻值增大時(shí)，輸出電壓升高，即：
vo=1.25[(r1+r2)/r2]。
v1和v2的作用是：當(dāng)輸出短路時(shí)，c2上的電壓被v2泄放掉，從而達(dá)到反偏保護(hù)的目的。此外，當(dāng)輸入短路時(shí)，c3等元件上儲(chǔ)存的電壓會(huì)通過(guò)v1泄放，用于防止內(nèi)部調(diào)整管反偏。c2用以提高ic的紋波抑制能力。c3用以改善ic的瞬態(tài)響應(yīng)。c1用于輸入整流濾波。在大電流輸出時(shí)，ic會(huì)因溫升過(guò)高而截止，必須加適當(dāng)面積的散熱器。r2應(yīng)選用線(xiàn)性的電位器