開關電源模塊AC/DC

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為"整流"，功率流由負載返回電源的稱為"有源逆變"。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單項、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts(易產(chǎn)生干擾)。其具體的電路由以下幾類:

(1) Buck電路――降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。

(2) Boost電路――升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。

(3) Buck-Boost電路――降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

(4) Cuk電路――降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性相反，電容傳輸。

當今軟開關技術使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應的功率密度為(6、2、10、17)W/cm3，效率為(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，其開關頻率為(200~300)kHz，功率密度已達到27 W/cm3，采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二極管)，是整個電路效率提高到90%。

開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。

設計簡單。只需一個電源模塊，配上少量分立元件，即可獲得電源。

縮短開發(fā)周期。模塊電源一般備有多種輸入、輸出選擇。用戶也可以重復迭加或交叉迭加，構成積木式組合電源，實現(xiàn)多路輸入、輸出，大大削減了樣機開發(fā)時間。

變更靈活。產(chǎn)品設計如需更改，只需轉(zhuǎn)換或并聯(lián)另一合適電源模塊即可。

技術要求低。模塊電源一般配備標準化前端、高集成電源模塊和其他元件，因此令電源設計更簡單。

模塊電源外殼有集熱沉、散熱器和外殼三位一體的結構形式，實現(xiàn)了模塊電源的傳導冷卻方式，使電源的溫度值趨近于最小值。同時，又賦予了模塊電源金玉其表的包裝。

質(zhì)優(yōu)可靠。模塊電源一般均采用全自動化生產(chǎn)，并配以高科技生產(chǎn)技術，因此品質(zhì)穩(wěn)定、可靠。

用途廣泛:模塊電源可廣泛應用于航空航天、機車艦船、軍工兵器、發(fā)電配電、郵電通信、冶金礦山、自動控制、家用電器、儀器儀表和科研實驗等社會生產(chǎn)和生活的各個領域，尤其是在高可靠和高技術領域發(fā)揮著不可替代的重要作用。

輸出電壓調(diào)節(jié)

對有TRIM或ADJ(可調(diào)節(jié))輸出引腳的模塊電源產(chǎn)品，可通過電阻或電位器對輸出電壓進行一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，一般調(diào)節(jié)范圍為±10%。

對TRIM輸出引腳，將電位器的中心與TRIM相連，在所有+S、-S管腳的模塊中，其他兩端分別接+S、-S。沒有+S、-S時，將兩端分別接到相應主路的輸出正負極(+S接+Vin，-S接-Vin)，然后調(diào)節(jié)電位器即可。電位器的阻值一般選用5~10kΩ比較合適。

對ADJ輸出引腳，分為輸入邊調(diào)節(jié)與輸出邊節(jié)。輸出邊調(diào)節(jié)與TRIM引腳的調(diào)節(jié)方式一樣。輸入邊調(diào)節(jié)只能上調(diào)輸出電壓，此時將電位器的其中一端與中心相接，另一端接輸入端的地。

輸入保護電路

一般模塊電源產(chǎn)品都有內(nèi)置濾波器，能滿足一般電源應用的要求。如果需要更高要求的電源系統(tǒng)，應增加輸入濾波網(wǎng)絡?？梢圆捎肔C或π型網(wǎng)絡，但應注意盡量選擇較小的電感和較大的電容。

為了防止輸入電源瞬態(tài)高壓損壞模塊電源，建議用戶在輸入端接瞬態(tài)吸收二極管并配合保險絲使用，以確保模塊在安全的輸入電壓范圍之內(nèi)。為了降低共模噪聲，可以增加Y(Cy)電容，一般選擇幾nf高頻電容。R為保險絲，D1為保護二極管，D2為瞬態(tài)吸收二極管(P6KE系列)。

遙控開/關電路

模塊電源的遙控開關操作，是通過REM端進行的。一般控制方式有兩種:

(1)REM與-VIN(參考地)相連，遙控關斷，要求VREF<0.4V。REM懸空或與+VIN相連，模塊工作，要求VREM>1V。

(2)REM與VIN相連，遙控關斷，要求VREM<0.4V。REM與+VIN相連，模塊工作，要求VREM>1V。REM懸空，遙控關斷，即所謂"懸空關斷"(-R)。

如果控制要與輸入端隔離，則可以使用光電耦合器作為傳遞控制信號。

模塊組合

(1)并聯(lián)擴容。將相同模塊輸出端并聯(lián)，可使輸出能力增強，但并聯(lián)模塊的輸出電壓要調(diào)整得比較一致，以保證相對均流，同時避免不必要的振蕩。對有較大電流輸出的模塊，還可以仔細設計引線電阻，以達到均流效果。用這種方法并聯(lián)的模塊，不宜超過2個。同時，如果其中一塊模塊輸出有故障，整個系統(tǒng)都將不能正常工作。并聯(lián)擴容連接電路RL為負載。

(2)冗余熱備份并聯(lián)。將相同的模塊輸出端通過二極管后并聯(lián)可使輸出能力增強，以提高電源系統(tǒng)的可靠性。原則上如果配合相應輸出報警電路，將模塊放在可以拆卸的母線上，這樣，出現(xiàn)故障的模塊可以及時更換。用這種方法并聯(lián)的模塊，沒有量限制。D一般為肖特基二極管。

(3)串聯(lián)擴容。將相同模塊輸出端串聯(lián)，可使輸出電壓倍增，功率也相應增加，而串聯(lián)輸出端須接二極管以進行保護。

鈴流備份

鈴流發(fā)生器主要用于電話局交換機給電話用戶提供振鈴，一般是在偏置狀態(tài)下使用。偏置可分為正偏置和負偏置。為了提高鈴流系統(tǒng)的可靠性，需要對鈴流進行備份。

應用領域

開關電源模塊應用在幾大方面

1.電力，主要有集成器和電表以及智能電表

2.工控， 工業(yè)控制領域

3.醫(yī)療，醫(yī)療設備，主要有護胎儀，監(jiān)護儀等等

4.軍工，軍工業(yè)是應用很廣泛的一個方面。軍用設備里。

1MHZ以內(nèi)，以差模干擾為主。

①增大X電容量;

②添加差模電感;

③小功率電源可采用 PI 型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。

1MHZ-5MHZ，差模共?；旌?，采用輸入端并聯(lián)一系列 X 電容來濾除差摸干擾并分析出是哪種干擾超標并以解決，

①對于差模干擾超標可調(diào)整 X 電容量,添加差模電感器，調(diào)差模電感量;

②對于共模干擾超標可添加共模電感,選用合理的電感量來抑制;

③也可改變整流二極管特性來處理一對快速二極管如 FR107 一對普通整流二極管1N4007。

5M以上，以共摸干擾為主，采用抑制共摸的方法。

對于外殼接地的，在地線上用一個磁環(huán)串繞 2-3 圈會對 10MHZ 以上干擾有較大的衰減作用; 可選擇緊貼變壓器的鐵芯粘銅箔, 銅箔閉環(huán). 處理后端輸出整流管的吸收電路和初級大電路并聯(lián)電容的大小。

20-30MHZ，

①對于一類產(chǎn)品可以采用調(diào)整對地Y2 電容量或改變Y2 電容位置;

②調(diào)整一二次側間的Y1 電容位置及參數(shù)值;

③在變壓器外面包銅箔;變壓器最里層加屏蔽層;調(diào)整變壓器的各繞組的排布。

④改變PCB LAYOUT;

⑤輸出線前面接一個雙線并繞的小共模電感;

⑥在輸出整流管兩端并聯(lián)RC濾波器且調(diào)整合理的參數(shù);

⑦在變壓器與MOSFET之間加BEAD CORE;

⑧在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容。

⑨可以用增大MOS驅(qū)動電阻.

30-50MHZ，普遍是MOS管高速開通關斷引起。

①可以用增大MOS驅(qū)動電阻;

②RCD緩沖電路采用1N4007 慢管;

③VCC供電電壓用1N4007 慢管來解決;

④或者輸出線前端串接一個雙線并繞的小共模電感;

⑤在MOSFET的D-S腳并聯(lián)一個小吸收電路;

⑥在變壓器與MOSFET之間加BEAD CORE;

⑦在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容;

⑧PCB心LAYOUT 時大電解電容，變壓器，MOS構成的電路環(huán)盡可能的小;

⑨變壓器，輸出二極管，輸出平波電解電容構成的電路環(huán)盡可能的小。

50-100MHZ，普遍是輸出整流管反向恢復電流引起。

①可以在整流管上串磁珠;

②調(diào)整輸出整流管的吸收電路參數(shù);

③可改變一二次側跨接Y電容支路的阻抗,如PIN腳處加BEAD CORE或串接適當?shù)碾娮?

④也可改變MOSFET，輸出整流二極管的本體向空間的輻射(如鐵夾卡MOSFET; 鐵夾卡DIODE，改變散熱器的接地點);

⑤增加屏蔽銅箔抑制向空間輻射。

200MHZ以上，開關電源已基本輻射量很小，一般可過EMI標準。

補充說明:

開關電源高頻變壓器初次間一般是屏蔽層的，以上未加綴述。開關電源是高頻產(chǎn)品，PCB的元器件布局對EMI,請密切注意此點。

開關電源若有機械外殼，外殼的結構對輻射有很大的影響，請密切注意此點。主開關管、主二極管不同的生產(chǎn)廠家參數(shù)有一定的差異，對 EMC 有一定的影響，請密切注意此點

模塊化和數(shù)字化是開關電源工程技術的發(fā)展方向，電子工業(yè)出版社《開關電源設計與制作系列叢書》中的一本。本書講述了Vicor電源模塊的結構原理、應用技巧和應用實例;數(shù)字化開關電源的特點，解析了數(shù)字電源控制器Si8250，數(shù)字PWM系統(tǒng)控制器UCD9240、UCD8220，數(shù)字式雙相同步Buck控制器UCD9112，電源程序器和監(jiān)視器UCD9081、UCD9080，數(shù)字控制兼容的MOSFET驅(qū)動器UCD7100、UCD7230、UCD7201等多款實用的數(shù)字化開關電源控制IC ，以及用Si8250等設計數(shù)字電源的應用實例。本書可供開關電源工程技術人員研發(fā)參考，也可供大專院校相關專業(yè)師生閱讀。

中國電源學會常務理事，1965年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學無線電工程系，先后在北京計量科學研究所、中國計量科學研究院、北京電力電子新技術開發(fā)中心等任室主任、副總工程師等職。現(xiàn)任北京富來電能設備公司總經(jīng)理。

第1章模塊化開關電源

1.1模塊化電源的特點

1.1.1模塊化電源的優(yōu)勢

1.1.2電源模塊的主要工作模式

1.1.3電源模塊的主要特性

1.1.4電源模塊的發(fā)展動向

1.2電源模塊的基本原理和特性

1.2.1Vicor電源模塊的電路原理

1.2.2Vicor電源模塊的特性

1.3電源模塊的基本應用

1.3.1電源模塊的參數(shù)選擇

1.3.2電源模塊各引腳功能

1.3.3電源模塊的最簡單連接方法

1.3.4電源模塊的PCB設計要點

1.3.5電源模塊的測量和檢驗

1.4系統(tǒng)模塊的選用

1.4.1概述

1.4.2AC交流前級

1.4.3DC直流前級保護

1.4.4有源前級濾波器

1.4.5輸出濾波模塊

1.4.6有源輸出濾波器

1.4.7可自行定制VIPAC電源

1.4.8用電源模塊做成的配置式電源

1.5電源模塊應用技巧

1.5.1輸出紋波的衰減

1.5.2電源模塊的并聯(lián)應用

1.5.3電源模塊的串聯(lián)應用

1.5.4模擬負載

1.5.5大容性負載的使用

1.6電源模塊的熱設計和可靠性

1.6.1電源模塊的熱設計

1.6.2熱設計實例

1.6.3電源模塊的可靠性指標

1.7V·I Chip晶片式電源和分比式架構

1.7.1新的電路拓撲-正弦能量轉(zhuǎn)換器

1.7.2分比式供電架構FPA簡介

1.7.3分比式供電架構的基本單元簡介

1.7.4分比式供電的優(yōu)勢

1.7.5VI BRICK

1.7.6系統(tǒng)模塊和V·I Chips晶片式電源模塊的應用

1.8電源模塊應用實例

1.8.11kW電源的設計實例

1.8.2Vicor電源模塊在新能源汽車上的應用

第2章數(shù)字化開關電源的特點

2.1開關電源數(shù)字化概況

2.2數(shù)字化開關電源的特點

2.2.1數(shù)字化電源的優(yōu)勢

2.2.2最新數(shù)字開關電源控制IC-ADP1046

第3章數(shù)字電源控制器Si8250

3.1系統(tǒng)展示

3.1.110MHz控制處理器ADC

3.1.2DSP濾波器發(fā)動機

3.1.3六通道的D-PWM

3.1.4峰值電流限制比較器

3.1.5自排序的12位ADC

3.1.6系統(tǒng)管理程序

3.1.7開發(fā)工具

3.1.8存儲器

3.1.9比較器

3.1.10串行接口

3.1.11輸入/輸出接口

3.1.12可調(diào)的計數(shù)器陣列

3.2系統(tǒng)工作

3.2.1系統(tǒng)上電工作預置

3.2.2Si8250/1/2在隔離DC-DC中的應用

3.2.3在非隔離DC-DC(POL)中的應用

3.2.4時鐘源

3.2.5PWM限制、保護及工作點的設置

3.2.6Si8250的引腳功能和外形

3.3功能電路單元介紹

3.3.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC

3.3.2ADC0(12位自排順序的ADC)

3.3.3ADC1 (10MHz環(huán)路的ADC)

3.3.4DSP濾波器發(fā)動機

3.3.5峰值電流限制檢測器

3.3.6數(shù)字PWM(DPWM)

3.3.7電壓基準

3.3.8比較器0

3.3.9CIP-51 CPU

3.3.10存儲器結構和SFRs

3.3.11預取的發(fā)動機

3.3.12循環(huán)的冗余檢測單元(CRCO)

3.3.13復位源

3.3.14閃存存儲器

3.3.15外部RAM

3.3.16輸入/輸出接口

3.3.17振蕩器

3.3.18SM總線

3.3.19UARTO

3.3.20定時器

3.3.21可編程的計數(shù)器陣列

3.3.22C2接口

第4章用Si 8250設計數(shù)字電源

4.1數(shù)控技術一覽

4.2新型數(shù)字控制器芯片Si 8250系列展示概述

4.3設計實例

4.3.1功率級元件設計

4.3.2控制環(huán)路設計

4.4Si 8250的工具設備

4.4.1Si 8250的工具簡介

4.4.2給BUCK拓撲設計控制環(huán)參數(shù)的應用步驟

第5章幾款實用的數(shù)字化開關電源控制IC

5.1數(shù)字PWM系統(tǒng)控制器UCD9240

5.1.1UCD9240 設計特點

5.1.2UCD9240典型應用電路、內(nèi)部功能框圖及各引腳安排

5.1.3UCD9240電氣參數(shù)

5.1.4UCD9240芯片部分內(nèi)電路與特性測量簡介

5.2數(shù)字式雙相同步Buck控制器UCD9112詳解

5.2.1UCD9112芯片主要設計特點

5.2.2UCD9112功能框圖及典型應用電路

5.2.3UCD9112電氣參數(shù)

5.2.4UCD9112各引腳功能簡介

5.2.5UCD9112部分單元電路及特性

5.3具有誤差記錄存入功能的八信道電源程序器和監(jiān)視器UCD9081

5.3.1UCD9081主要設計特點

5.3.2UCD9081的典型應用電路與應用領域

5.3.3UCD9081芯片內(nèi)部功能框圖與各引腳內(nèi)容安排

5.3.4UCD9081電氣參數(shù)

5.3.5UCD9081數(shù)字輸出特性曲線(在一段時間內(nèi)只有一路輸出加載)

5.4數(shù)字控制八信道電源程序器和監(jiān)視器UCD9080

5.4.1芯片主要設計特性及典型應用電路

5.4.2UCD9080的應用領域

5.4.3UCD9080電氣參數(shù)

5.4.4UCD9080芯片的數(shù)字群連接參數(shù)存儲結構圖表

5.5數(shù)字控制兼容的單低邊±4A、MOSFET驅(qū)動器UCD7100

(具有電流檢測功能)

5.5.1UCD7100設計特點及典型的應用電路(單端正激變換器)

5.5.2UCD7100兩種典型的應用電路

5.5.3UCD7100的極限值與電氣參數(shù)

5.6數(shù)字控制兼容的同步Buck柵極驅(qū)動器UCD7230(有電流檢測限定放大器)

5.6.1UCD7230主要設計特性、內(nèi)部功能框圖與簡化電路

5.6.2UCD7230的單項、多項同步Buck變換器(與UCD9112組合)

5.6.3UCD7230的極限值及其電氣參數(shù)

5.6.4UCD7230應用簡圖

5.7數(shù)字控制兼容的雙低邊+4A、MOSFET驅(qū)動器UCD7201

(具有可編程的公用電流檢測)

5.7.1UCD7201主要設計特點及典型的應用電路

5.7.2UCD7201內(nèi)部功能框圖與各引腳安排

5.7.3UCD7201極限值與電氣參數(shù)

5.8數(shù)字管理式推挽變換器--模擬PWM控制器UCD8220

5.8.1UCD8220主要設計特點及兩種應用電路(推挽式、半橋變換器)

5.8.2UCD8220內(nèi)部功能框圖與兩種不同封裝的各引腳安排

5.8.3UCD8220的極限值及電氣參數(shù)

5.8.4UCD8220部分電路應用概況

附錄A Vicor的模塊選型資料