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通信电源模块设计详解:入门到精通
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更新于2024-07-29
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"《开关电源设计入门指南》是一本详尽的教程,共127页,旨在帮助读者全面理解并掌握开关电源设计的基本原理和实践技巧。本书首先从设计的一般原则出发,通过实例——一个通信电源模块的设计需求进行讲解。 在设计开关电源前,关键步骤包括深入理解技术要求。以通信电源模块为例,其技术规格涵盖了多个方面: 1. 电气性能:在220V交流50Hz、25℃环境下,模块需具备高效率(>87%),在额定电压54.9V至61.2V范围内调整,且具有良好的限流和过压保护。输入电压需稳定在220V±20%,频率在45-65Hz,满载时输入电流不超过8A,冲击电流不超过18A。功率因数要求大于0.90,谐波失真需符合IEC555-2标准。 2. 输出特性:输出电压稳定,允许±0.2%的变化,能在不同负载和电压条件下保持极低的电压波动(<200mV)。瞬态响应迅速,恢复时间不超过2mS,且有1V的最大输出电压偏摆限制。静态漏电流在关断状态下小于5mA。 3. 保护功能:包括输入过载保护(保险丝13A)、输出过压保护(跳闸电压按表1.1设置)、过流保护(恒流后降压)以及输出反接保护(外电路保险丝断开)。过热保护通过内置传感器自动复位,确保模块安全运行。 4. 显示与指示:输入状态实时监控,确保电网的正常运行。 每一章节都包含详细的分析和案例研究,帮助读者逐步掌握开关电源设计的方法论,从选择合适的元器件、电路布局到系统优化,直至实现完整的开关电源设计流程。无论是初学者还是经验丰富的工程师,都能从中收获宝贵的知识和实践经验。通过学习本书,读者能够熟练地进行开关电源的设计,无论是在通信设备、工业控制还是家用电器领域都能游刃有余。"
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第三章 元件选择
开关电源在选定电路拓扑以后,就要进行电路设计。根据技术规范计算电路参数,再根据电路参
数选择电路元器件。整个电路设计主要是正确选择元器件。而元器件有各自的属性:电压、电流、功
率以及时间参数。但在教科书中很难找到电路设计计算参数与元器件参数之间的关系,不知如何选择
恰当的元器件。例如你计算出电阻上损耗是 0.7W,你就选一个 1W 电阻。如果电路中电阻消耗的功率
是 1W 的很短脉冲,并不需要 1W 定额的电阻。但是你怎样确定一个 0.5W 或 0.7W 电阻就可以承受这
样的脉冲呢?
在开关电源中很多像这样的元件选择问题。这样的问题一般是靠经验,或向有经验的人求教,当
然查阅手册是免不了的。这里介绍开关电源中常用元器件使用中的问题,以供读者参考。
3.1
电阻
电阻是最常用的电子元件,选择时还应当注意如下事项。
3.1.1
电阻的类型
按电阻材料分,目前在电子电路中使用的电阻有碳质电阻、碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜
电阻、线绕电阻、压敏电阻和温度电阻(PTC-正温度系数,NTC-负温度系数)。电阻的一般特性
如表 3.1 所示
表 3.1 电阻阻值范围和温度特性
类型 代号 功率范围 阻值范围 温度系数 温度系数
固定碳膜电阻
RT 0.1~3W
1Ω~22M r2~5% 350~1350ppm/qC
精密金属膜电阻
RJ 0.1~3W
1Ω~5.1M r0.5~5% 25~100ppm/qC
精密金属氧化膜电阻
RY 0.25~10W
0.1 Ω ~150k r1~5%
100~300 ppm/qC
线绕电阻
RX 0. 5~10W
0.01 Ω ~10k r1~10%
25~100 ppm/qC
贴片电阻
0603 0805
1206
1Ω~10M r1~5%
100~200 ppm/qC
水泥线绕电阻
RX 2~40W
0.01 Ω ~150k r1~10%
20~300 ppm/qC
功率线绕电阻
RX 10~1000W
0.5Ω~150k r1~10%
20~400 ppm/qC
薄膜排电阻
0.25/4,14
10Ω~2.2M r1~5%
100~250 ppm/qC
零欧姆跳线
0.125~0.25
0Ω r1~5%
电位器
6,8,10
100Ω~1M r20%
200 ppm/qC
碳值电阻使用最早,功率等级相同其体积比金属膜电阻大,今天还比金属膜贵。金属膜电阻与碳
值电阻具有相同的频率相应。金属氧化膜与金属膜电阻相似,但温度系数比较大。还有线绕电阻。尺
寸从体积较小的 1W 电阻到 1kW
的可变电阻。这 些电阻之所以称
为线绕电阻是因 为它是用高阻的
电阻丝绕成的, 通常绕在一个瓷
管上,可以想象 为 一 个 螺 管 线
圈,因此它具有 一定的电感。它
也可用相等匝数 相反方向绕,这
种线绕电阻具有 很小的电感量,
通常称为无感电 阻。线绕电阻能
承受更大的脉冲 功率。表 3.2 列
出了各种电阻和应用场合。
表 3.2 主要电阻选择指南
类型 可能应用场合
碳值 没有限制,可用金属膜电阻代替
金属膜 一般应用,应用广泛
线绕(有感,滑线电阻) 负载电阻
线绕(无感) 用于高频电流采样,如开关电流波形
分流器 用于大电流采样
PCB 线 当成本比精度更重要时用于电流采样
各种电阻温度系数不同,采样电路不应当使用两种不同类型的电阻。
3.1.2
电阻值与公差
电路设计时,有时你计算出电阻值为 15.78kΩ,87.45Ω。这些怪异电阻值有标称值吗?实际上。
电阻的标称值近似以 10 进对数分布的,如 1kΩ,10kΩ等。根据公差不同,有不同的 10 进电阻标称
值。
表 3.3 公差为 5%电阻标称值
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 (1.7) 1.8
2.2 2.4 2.7 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7
5.1 5.6 6.2 6.8 (7.5) 8.2 9.1
以前使用得最多的是公差 5%的电阻。标称值如表 3.3 所示,
例如标称值 1.2,表示 1.2Ω,12Ω,120Ω,1.2kΩ,12kΩ,120k
Ω,1.2MΩ等等。但是,今天插件的 1%电阻也比较便宜,并最容
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易买到。没有理由不采用 1%电阻。一般以色圈表示电阻的阻值、公差,有些还表示可靠程度。电阻
色环意义如图 3.1 所示。
产品设计时,采购人员希望元器件品 种越少越好,同
一标称值元件越多,批量越大,成本越 低。在小功率控
制与保护电路中,如果没有特殊要求而又 对电路性能没有
明显的影响,尽量采用相同的标称值,这 样可降低电源成
本。如果你做一个分压器(即电阻比), 其中一个总可以
采用 10kΩ电阻。
在印刷电路板上可以应用多大电阻? 实际上,最大阻
值受印刷电路板两点之间的绝缘电阻有 关。特别是表面
贴装的元件,电阻引线端距离很近,严重 时,两端之间漏
电流可能达到等效 1~10MΩ电阻。因 而,你如果要放
一个 100MΩ到电路中,它与漏电阻并 联,最终你只得
到 1~10MΩ,而不是 100MΩ。例如运 算放大器的反馈
电阻就有相似的问题。所以除了特殊要 求,一般避免采
用 1MΩ以上电阻。如果一定要 1MΩ以上电阻(例如从输入电网取得偏置电流,又不希望电流太大)
时,可以用多个 1MΩ电阻串联,以增加漏电距离。
数字 10 方次 公差 可信度
图 3.1 电阻色码意义
1,2,3 环色环黑棕红橙黄绿兰紫灰白
分别为 0~9-数字环和方次。4 环公差
5%为金色,10%为银色。1%,2%,3
%,4%分别为棕红橙黄。5 环表示
1000 小时损坏%,棕红橙黄分别表示
1,0.1,0.01 和 0.001.
3.1.3
最大电压
不管你信不信,电阻有最大电压定额。它并不是功耗决定的,而是电阻可能引起电弧。当采用表
面贴装电阻时,这个问题特别严重,因为电阻两端特别接近。如果电压大于 100V,应当检查接近高压
的电阻的电压定额。如果一个耐压 500V 的电阻,可靠要求高时,只用耐压的一般,通常采用两个以
上电阻串联减少电阻电压定额要求。
3.1.4
功率定额
大家都知道不会让 1/4W 电阻损耗 1/2W。但什么是 1/4W 电阻?军方为增加电阻可靠性,不允许
电阻损耗大于额定功率的一半(不管碳值还是金属膜)。为了满足这个要求,电阻生产公司供给军用
的电阻自己减额,例如,不会让军用电阻损耗功率超过军用电阻定额的 70%。这就是说将 1W 电阻标
为 0.5W 为此某些公司专门生产军用型电阻(即 RN55 或 RN60)总是减额 50%。即实际 1/2W 的电阻
他们叫做 1/4W,完全搞糊涂了,外观看起来像一个 1/4W 电阻,你还得仔细查看手册是不是你需要的
电阻。
我们让 1/4W 电阻损耗 0.25W,在手册标明电阻能够处理这个功率。然而,太热了-线绕电阻定
额工作温度可能为 270℃,根本不能触摸,温度太高,并产生较大数值漂移。
军用电阻仅是稳态工作定额的功率一半。
让1W 线绕电阻损耗仅 1W 功率,这种限制仅仅是稳态(即许多秒或更长时间)要求。对于短时
间,线绕电阻可以处理比额定功率大许多倍而不损坏。对于其它电阻类型电阻并不如此。你应当严格
遵循其最大功率定额,尽管短时间没有问题,例如 100mW 非线绕电阻损耗 100mW 功率持续 100ms。
例子:有一个 100ms短脉冲加在一个 10Ω电阻上。功率P=(40V)
2
/10=160W,是不是需要 200W的
电阻?Dal提供选择电阻的指南(表 3.4)。运用这个表,首先我们计算进入到电阻的能量,E=P×
t=160W×0.1s=16J,然后能量除以电阻,E/R=16J/10=1.6J/Ω。从表的第一栏找到每Ω焦耳大于计算值
的项:第一个是 2.46J/Ω.向右找到大于 10Ω的电阻是 10.11Ω。再向上求得这可能是G-10 电阻,它是
10W较大富裕的容量。Dal指出,这只是对 100ms脉冲且是线绕电阻有价值的。长脉冲应根据“短时过
载”定额,而非线绕电阻取脉冲定额 4 倍于稳态定额。
3.1.5
可变电阻
可变电阻是实验室可变功率电阻的一般名称。功率范围在数十瓦到 1kW 之间,作为可变电阻,可
以用滑动臂短接部分线圈电阻,很明显,如果用电阻的一半,也只能损耗一半功率。如果 300W 变阻
器,一半电阻你不能让它损耗大于 150W 的功率。实际上,你应当根据变阻器功率和阻值计算出变阻
器允许的电流,只要允许电流不超过变阻器的电流限值,就大可不必担心调节负载时烧坏变阻器。但
是,在调试有时未必能注意到负载电流大小,仍有可能超过电阻功率限值,最好的解决办法是与变阻
器串连一个算好功率的固定电阻,这样即使可变电阻调到零,也不会损耗太大。
3.1.6
电阻的电感
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如上所述线绕电阻是有电感的,即使碳膜、金属膜或金属氧化膜等为增加阻值,通常刻成螺旋线
增加电阻几何长度,也是具有电感量的。小功率电阻一般用在控制电路中,除非是用来检测电流,一
般不注意电阻的电感问题。一般线绕电阻具有一定电感量,在典型开关频率显得感抗相当大,感抗可
能大于电阻值,在电流跃变部分出现很大尖峰,不能正确反应电流波形和给出正确的电流读数。
某些制造厂生产一种特殊的线绕无感电阻,具有很低的电感(虽然不为零),当然这种电阻价格
稍高些。
3.1.7
分流器
当要求检测电流时,可以采用霍尔元件、电流互感器。霍尔原理的电流互感器价格太高;电流互
感器只是用于检测交流电流或脉冲直流电流的磁性元件。成本虽然比霍尔元件低,但也比较复杂,也
不能测量恒定直流电流,测量直流电流通常采用分流器。分流器是一个温度系数几乎为零(锰铜)的
金属条。分流器的尺寸按需要定。分流器是一个电阻,也具有电感,这就限制了它的应用。作为例
子,100A 电流在分流器时满载产生 100mV 压降,(英美标准满载电流电压是 100mV 或 50mV,中国是
75mV)。其电阻为 100mV/100A=1mΩ,分流器用金属大约 2.5cm 长,具有电感为 20nH。这样器件的
传递函数在频率为 f=1mΩ/(2π×20nH)=8kHz 时为零。为减少电感的影响,可以加大检测电压
(增加电阻值)或用多个金属条叠装并联来减少电感。在后面将讲到用差动放大消除分流器电感对的
信号影响。
有时接在电流通路中的检测电阻比较小,连线电阻(或压降)可以和检测电阻比较,大大影响测
量精度,且不易控制。为了减少连线电阻影响,在设计 PCB 布线时,应当从检测电阻端专门用两根信
号线接出电流信号,决不要就近接地,单独引出。为避免单线检测,制造商利用分流器原理生产专用
检测电阻-四端电阻,在检测电阻两端再引出两个检测信号线,提供信号输出。
PCB 导电线是一段铜箔,当然它也有电阻。有时测量精度要求不高,PCB 电路线电阻作为电流检
测电阻。在这种情况下,既没有附加大的损耗,也不提高成本。当然,电阻精度由 PCB 线的尺寸精度
决定,应当记住铜的温度系数约为 0.4%/℃,温度升高监测电压会随温度增加。如果铜皮厚度为 35μ
m,室温下铜皮线的电阻由如下公式决定
)(5.0 : m
d
l
R
式中 l
,
d-PCB 线长度和宽度。如果铜皮厚度为 70μm,上式中系数 0.5 更改为 0.25 即可。
3.2
电容和它的应用
在电源中应用相当多种类的电容,输出和输入滤波电容、高频旁路电容、谐振缓冲电容、电磁兼
容滤波电容以及振荡定时电容等等。并且每种应用对电容要求不同,使用的电容种类也不同。如果你
想完成你的电源设计,你必须在不同地方选择不同的电容。表 3.5 列出了电容选择参考。
表 3.5 电容的选择指南
类型 主要应用
铝电解 当需要容量大,而且体积不重要时,像变换器的输出与输入电容。
钽电容 应用于相当大的电容量,像变换器输出和输入电容。
陶瓷电容 用于定时和信号应用
多层陶瓷电容 用于最低 ESR。(即在变换器输出与输入电解旁并联)
塑料薄膜电容 用于高 dV/dt,像准谐振变换器。
3.2.1
电容的类型
用在电源输出和输入端的最普遍的是电解电容。可以买到不同类型电解电容,但最常应用(最价
廉)是铝电解电容,常说的电解电容就是指铝电解电容(CD)。还有鉭电解电容(CA),有固鉭和液鉭。铝
电解有非常多种类,并有你所需要的电压定额和容量(mF,和数百 V 电压),但尺寸比较大。
钽电容比铝电容具有好得多的高频特性,但价格贵而且电压限制在 100V 和容量数百µF 以下。中
功率电源输入最好选择铝电解电容,而输出低压采用贴片钽电容。当然贴片比插件的容量小而电压
低。
定时和高频旁路通常采用陶瓷电容,有瓷介电容和瓷片电容(CC)。容量在几个 pF 到 1µF。还能够
买到 MLC(多层陶瓷)型电容,多层电容的 ESR 极低且容量大,容量可达几百µF,可以代替钽电
容。
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