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如何設計一個好的開關電源模塊

如何設計一個好的開關電源模塊

2020-12-15

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

 

首先要評估系統的模塊電源需求

對于電子系統,模塊電源需求不僅僅是關心輸入電壓、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響應能力,關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和開關電源模塊,開關電源模塊的效率要高一些。在看滿負載的電源電路效率時,也要關注輕負載的效率。

 

至于負載瞬態響應能力,對于一些高性能的CPU應用就會有嚴格的要求,因為當CPU突然開始運行繁重的任務時,需要的啟動電流是很大的。如果電源電路響應速度不夠,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?

根據分析系統需求得出的具體技術指標,可以來選擇合適的電路了。一般對于弱電部分,包括了LDO(線性電源轉換器)、開關電源電容降壓轉換器和開關電源電感電容轉換器。相比之下,LDO設計最易實現,輸出紋波小,但缺點是效率不高,發熱量大,可提供的電流相較開關電源不大。而開關電源電路設計靈活,效率高,但紋波大,實現比較復雜,調試比較煩瑣。

 

如何為開關電源模塊選擇合適的元器件和參數?

很多未使用過模塊電源設計的工程師會對它產生一定的畏懼心理,比如擔心開關電源模塊的干擾問題、PCBlayout問題、元器件的參數和類型選擇問題。其實只要了解了,使用設計是非常方便的,不僅簡化了PCB設計,而且設計的靈活性更強。開關控制器基本上就是一個閉環的反饋控制系統,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的控制電路。因此這部分的設計在于保證精確的采樣電路,還有來控制反饋深度,如果反饋環響應過慢的話,對瞬態響應能力是會有很多影響的。

 

輸出部分設計包含了輸出電容、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),但是高的開關頻率會增加干擾和對MOSFET的開關損耗,從而效率降低。使用低的開關頻率帶來的結果則是相反的。對于輸出電容的ESRMOSFETRds_on參數選擇也是非常關鍵的,小的ESR可以減小輸出紋波,但是電容成本會增加。開關電源控制器驅動能力也要注意,過多的MOSFET是不能被良好驅動的。一般來說,元器件的供應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?

一個好的開關電源模塊,其技術和工藝設計也一定是優秀的,如電路元件布局、多層板設計及高頻變壓器結構設計等等。模塊電源是一個裝配技術,其工藝設計、新電路和新元器件也是一個重要內容。

 

單個的開關電源模塊,幾乎很難通過surge、EFT、CE、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,根據開關電源模塊特性,做好外圍電路的EMC與防護設計,是設備通過EMC測試,提高其現場抗干擾性的關鍵所在。

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