设计创新电源模块 所需的崭新结构
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设计创新电源模块 所需的崭新结构
程文涛
中国华南地区资深应用工程师 电源管理产品业务部
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演示报告内容简介
? 单输出及多输出的电源供应结构 – 有源钳位正激转换器 – 中间总线转换器 – 交错输入/并行输出转换器 – 馈电流推/挽式转换器 挑选电源供应结构的标准： 输入电压范围、输出数目、调整率要求，以及每一应用的目标成本、性能要求及体 积等都是需要考虑的因素。 美国国家半导体最近推出的电源管理集成电路可以精简及加快电源供应器的设计。
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通信设备电源供应系统的 发展趋势
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通信系统的发展趋势
通信系统的性能不断提高，令先进功率转换技术的市场需求也日趋殷切。
由于新一代的通信系统 经常需要不分昼夜与其网络保持联 系，因此所采用 的电源供应系统 必须高度可靠、体积小巧以及效率极高，系统才可获得足 够的供电。
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通信设备电源供应系统的发展趋势
数字处理器的体积不断 缩小。网络特殊 应用集成电路 ( ASIC) 及处理器需 要高密度、高效率的电源供应系统为其提供： ? ? ? ? 多个低电压输出 更高电流 快速的动态响应 上电时序
… 而且电源必须在负载附近进行分配。 功率密度不断增加是未来发展 的趋势，功率转换 效率及操作频率必须进 一步提高才可满足这方面的要求。
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单输出转换器的结构
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单输出转换器
有源钳位正激转换器
由于有源钳位正激转换器的效率高于普通的正激转换器，因此很多 50W 至 200W 的中等功率系统都采用这种转换器。
相比于普通正激转换器的优势包括： ? 可以利用有源钳位 FET 晶体管及电容器重设磁心，损耗很小 ? 钳位电容器可将电磁能及漏感电能送回电源端 ?可以通过变压器的次级线圈实现自驱动的同步整流器
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设有有源钳位重设功能的正激转换器
Vin Vout= Vin D * D *
LM NP NS
NS NP
? 优化磁心重设
PWM VGS t V GS t
? 磁通工作于多象限 ? 减小了对初级侧 FET 晶体 管开关压力 ? 漏电感电能可以循环回收 ? 主开关关 断时，可实现零电 压转换
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主开关的零电压转换
磁化电感
20V / div
VGS VDS
2V / div
寄生电容及门驱动电路的快 速关闭可 在漏极电压开始上升之前将漏 极电流 减至零。
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主 FET 晶体管启动后的零电压开关
磁化电感
Vin
电流在重设开关开启 之后才流入
Vds
电流在重设开关开启 之前流入
重设开关关闭之后 ，磁化电流便为主开关体 二极管提供正向偏压。此时，主开关的 Vds 电压约为零，若门电路在磁化电流到零之前 已启动，便可支持零电压开关。 若 Vds 跌 至 输入电压以 下 ， 将会 正激。 所以有时需要利用磁珠稍为延迟电压开关。
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主开关零电压关闭
磁化电感 主开关漏极 电压 VDS(Q1)
主开关门电压 VDS(Q1)
门电路迅速关闭之后，漏极电压会 受寄生电容的影响而慢慢上升。
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单输出转换器：有源钳位正激转换器
VOUT 3.3V VIN 36 -78V
CS
T1 Q4 Cc Q3 Q2 Q1
CS
REF
LM5026 VCC
Vin UVLO DCL RES REF
ERROR AMP & ISOLATION
OUT_A OUT_B COMP
TIME SYNC Rt SS PGNDAGND
SYNC I/O
LM5026 是一款高度集成的电流模式有源钳位 PWM 控制器。这款芯片采用散热能力更强的 16 引脚封装，内置的功能及其 它特色包括可在 14 -100V 的电压范围内操作的启动稳压器、高达 1 MHz 的可调节开关频率、软启动及使能端、高带宽 100V 光耦合接口、双模式过电流保护、可调节欠压锁定、以及设有用户可调节延迟时间的 3A 峰值电流主钳位门驱动器及 1A 峰值电流有源钳位门驱动器。
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中间总线转换器结构
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单输出转换器
中间总线转换器(IBC) 中间总线转换器可将标准的 -48V 总线电压转为中间总线电压， 以便为低成本负载点电源模块提供供电。 产品特色： ? 单输出、无稳压(开环)的低成本直流/直流变压器 ? 可将标准总线的 36V 至 76V 电压范围转为中间总线的 8V 至 16V 电压范围 ? 为下游负载点转换器提供隔离及故障保护
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单输出转换器：中间总线转换器
T1
+
Vin Ref Comp VCC HB VDD HO HI LI LM5100 HS Q3 SS Rt GND OUT2 CS VSS LO Q1
Input Voltage
LM5033
OUT1
T2 Q4 Q2
Vout 10V, 20A
-
LM5033 是一款采用小巧 MSOP10 封装的电压模式 PWM 控制器，内置的功能及其它特色包括可在 1515100V 的电压范围内操作的启动稳压器、100 kHz 至 1 MHz 的可调节开关频率、软启动及使能端、误差 100V 的电压范围内操作的启动稳压器、100 放大器、过热保护及双模式过电流保护。LM5100 是一款上升/下降时间极快的 100V 半桥驱动器，传播 放大器、过热保护及双模式过电流保护。LM5100 是一款上升/ 100V 延迟极低而且相互匹配，操作频率可高达 1 MHz，采用小巧而散热能力更强的封装。 MHz，
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多输出转换器结构
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多输出转换器
多输出电源供应系统较难将多个输出电压稳定在一个细小的范围内 其中一个输出电压由闭环反馈电路稳定在一个较窄的范围内，然后其它 的输出利用以下器件进行“后续稳压”： ? 线路稳压器 – 成本低廉，设计简单，但缺点是效率较低 ? 降压稳压器 – 效率较高，但成本也较高，而且需要较多元件的支持 ? 交叉耦合电感器 – 效率理想，多输出稳压效果极不稳定
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多输出转换器：交叉耦合电感器
Isolated Feedback
FEEDBACK
Main Output
INPUT
Main Converter PWM Controller
? 效率理想 ? 次级稳压器的稳压效果不及线性 稳压器或直流/直流转换器 ? 主输出及次级输出较难稳定在同 一水平
Auxiliary Output
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多输出转换器： 主直流/直流稳压器及线性稳压器
Isolated Feedback
INPUT
FEEDBACK
Main Output
Main Converter PWM Controller Linear Regulator
Auxiliary Output-1
? 并不昂贵 ? 效率较差，负载达到最高极限时功率耗散较大 ? 不同输出电压较难稳定在同一水平 ? 主输出电感器及电容器必须为主及次负载 提供电流
Linear Regulator Auxiliary Output-n
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图1基于UCD3138的数字电源硬件电路系统框图 本文以TI 公司的针对隔离式DC ／DC 电源专用控制芯片 UCD3138作为研究对象，介绍了其数字控制特点，并以其为控制核心设计了一款36V～72V 直流输入，12V 直流输出，满载30A ，带同步整流的数字控制DC ／DC 全桥变换器，峰值效率可达94％以上。 1UCD3138数字控制器的主要特点 UCD3138是TI 公司最新推出的隔离电源专用的数字控制 芯片，采用了将环路补偿控制与监控通信分离的优化硬件架构，解决了控制系统与通信系统抢用MCU 资源的矛盾。 UCD3138的内核上含有三个独立的数字控制环路外设，也被称为数字电源外设（DPP ），每个DPP 执行一个高速数字控制环路，此环路由一个专用的差分模数转换器（EADC ）、一个基于双极点双零点数字补偿器PID 和具有250ps 脉宽分辨率的DPWM 输出组成。它们相互协作产生PWM 波输出，工作时无需微控制器参与，节省了MCU 的资源。 实时监控、配置外设与通信管理是由31．25MHz 、32位ARM7TDMI－S 精简指令微控制器实现的。它支持整合数字电源设计图形用户界面（GUI ）。用户可利用GUI 开发界面，通过PMBUS 总线，与UCD3138互联，监控电源工作状态，配置外设寄存器，即可调整控制环路的PID 参数，也可调整输出电压，开关 频率等相应的寄存器，故可在降低成本与功耗的同时简化开发。 该控制器还包含12位、267ksps 、14通道的通用ADC ，定时器，中断控制，JTAG 调试和PMBus （电源业界的通讯标准）以及UART 通信端口。 UCD3138有40引脚和64引脚两个版本，功能差异不大， 只是功能外设的数量上有些增减，综合本设计的需求，本文选用 40引脚，6mm *6mm 大小的UCD3138RHA 作为主控芯片。2数字电源系统设计 本文的设计目标为36V～72V 直流输入，12V 直流输出，满载30A ，开关频率200kHz 带同步整流的数字控制DC ／DC 全桥变换器。基于UCD3138的数字电源硬件电路系统框图如图1 所示，可分为功率回路和控制系统两部分。 2．1功率回路设计 主功率回路是全桥PWM DC ／DC 变换器，主要由全桥式 逆变器、高频变压器、输出同步整流器和直流滤波器组成，属于一种直流－交流－直流变换器。综合考虑输入输出电压范围，变压器的匝比选为5:2:2。 （1）输出滤波电感设计 输出滤波电感的取值主要取决于输出电流纹波△I O ，一般取为最大输出电流的20％，故L 的取值应满足： L ≥U in N D （1－2D ）T S △I O 其中，U in 为输入电压，N 为变压器原副边匝比，D 为占空比，T S 为功率管开关周期。最终择优选取L＝2．2。 （2）输出电容设计 输出电容的容值主要影响到输出电压纹波△U O ，纹波大小应低于输出电压的0．5％，故C 应满足：C ≥LI O △I O O 式中，U O 、I O 分别为电源的输出电压、输出电流。同时，为降低输出电压中的低频和高频谐波，输出电容采用4个220μF 钽电容，6个47μF 瓷介电容并联。 （3）主功率管和同步整流管的选择 依据输入、输出电压、电流及开关频率等因素，在预留安全 一款高效率数字模块电源的设计研究 方 超 张 强 谢君甫（中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡214063） Digitally Controlled High Efficiency Modular Power Supply 摘要：数字控制的模块电源具有高效率、高功率密度等诸多优点，是当前电源技术的研究热点。分析了TI 公司最新推出的隔离型电源专用数字控制芯片UCD3138的特点，并以其为控制环路核心，设计了一款带同步整流的数字控制全桥DC ／ DC 变换器。最后搭建模块电源样机，验证了设计的有效性，电源峰值效率可达94％以上。 关键词：UCD3138，DC－DC 变换器，数字控制，同步整流 Abstract :This paper analys the features of highly integrated digital controller UCD3138for isolated power launched by TI recently．A digital controlled full－bridge DC ／DC converter with synchronous rectifier based on UCD3138is designed．The real prototype is fabricated,and the experimental results verified the rationality of design method．High efficiency up to 94％can be obtained． Keywords :UCD3138,DC－DC converter,digital control,synchronous rectification 一款高效率数字模块电源的设计研究 148
Power Logics Co., Ltd. High PF/AC Direct LED Driver LID-PC-R101B Features ? Wide input range : maximum AC 300V ? LED protection by constant current driving and power compensation ? Drive max. 40W @ 220V, max. 30W @ 110V in 25mm x 30mm x 1.6mm metal PCB condition ? Adjustable efficiency and power factor by LED array and group configuration ? Tap switching structure to implement high power factor ? 83% typical efficiency, minimum power factor 0.95 using 1tap ? No EMI issue ? Small package MLF 20pin, 7mm x 7mm ? Implementation of light and slim lighting fixture by minimizing necessary components Applications. ? Various kind of LED lighting ? Small size LED lighting – Down light, Bulb, etc General Description PC-R101B includes circuits which provide load with constant current and adjust LED power so as to be less sensitive to change of input voltage and protect LED from overloads. Also it helps to achieve high power factor by internal switching circuits and LED group separation scheme. Consequently, PC-R101B is a LED driver guarantees effective use of LEDs which are sensitive to the change of voltage and current. LED drivers generally used such as SMPS or AC/DC converter include switching component and inductors, capacitors of large capacity. These cause complex circuit and problems of noise and life of lighting apparatus. On the contrary, this driver is designed as AC direct concept without complicated circuit and huge inductors, capacitors. Therefore it helps to prolong the life of lighting apparatus and make it free from difficulties of design and debugging. Especially, using properly designed tap structure supported by this driver, it ensures over 0.99 power factor. Total three LED groups are able to be set up connecting with two tap point (TP1, TP2) and power factor will be improved by applying this tap structure interlocked with LED groups. In addition, it
电源模块设计分析 电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器(参看图1)，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器(DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列(FP GA) 及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点(POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统(PUPS)。由于模块式结构的优点甚多，因此高性能电信、网络联系及数据通信等系统都广泛采用各种模块。虽然采用模块有很多优点，但工程师设计电源模块以至大部分板上直流/直流转换器时，往往忽略可靠性及测量方面的问题。本文将深入探讨这些问题，并分别提出相关的解决方案。 图1，电源供应器 采用电源模块的优点 目前不同的供应商在市场上推出多种不同的电源模块，而不同产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同。采用电源模块可以节省开发时间，使产品可以更快推出市场，因此电源模块比集成式的解决方案优胜。电源模块还有以下多个优点： ● 每一模块可以分别加以严格测试，以确保其高度可靠，其中包括通电测试，以便剔除不合规格的产品。相较之下，集成式的解决方案便较难测试，因为整个供电系统与电路上的其他功能系统紧密联系一起。 ● 不同的供应商可以按照现有的技术标准设计同一大小的模块，为设计电源供应器的工程师提供多种不同的选择。 ● 每一模块的设计及测试都按照标准性能的规定进行，有助减少采用新技术所承受的风险。 ● 若采用集成式的解决方案，一旦电源供应系统出现问题，便需要将整块主机板更换；若采用模块式的设计，只要将问题模块更换便可，这样有助节省成本及开发时间。
容易被忽略的电源模块设计问题 虽然采用模块式的设计有以上的多个优点，但模块式设计以至板上直流/直流转换器设计也有本身的问题，很多人对这些问题认识不足，或不给予足够的重视。以下是其中的部分问题： ● 输出噪音的测量； ● 磁力系统的设计； ● 同步降压转换器的击穿现象； ● 印刷电路板的可靠性。 这些问题会将在下文中一一加以讨论，同时还会介绍多种可解决这些问题的简单技术。 输出噪音的测量技术 所有采用开关模式的电源供应器都会输出噪音。开关频率越高，便越需要采用正确的测量技术，以确保所量度的数据准确可靠。量度输出噪音及其他重要数据时，可以采用图2 所示的Tektronix 探针探头(一般称为冷喷嘴探头)，以确保测量数字准确可靠，而且符合预测。这种测量技术也确保接地环路可减至最小。 图2，测量输出噪音数字 进行测量时我们也要将测量仪表可能会出现传播延迟这个因素计算在内。大部分电流探头的传播延迟都大于电压探头。因此必须同时显示电压及电流波形的测量便无法确保测量数字的准确度，除非利用人手将不同的延迟加以均衡。 电流探头也会将电感输入电路之内。典型的电流探头会输入600nH 的电感。对于高频的电路设计来说，由于电路可承受的电感不能超过1mH，因此，经由探头输入的电感会影响di/dt 电流测量的准确性，甚至令测量数字出现很大的误差。若电感器已饱和，则可采用
电源模块EMC设计 想必大家对电源模块一点都不陌生，而EMC性能作为电源模块的重要指标，在选型时，你知道如何深入的了解各类电源模块的EMC性能吗？在应用时，又该怎样提升模块的EMC 防护能力？本文将为您解答。 众所周知，EMC是指电磁兼容测试，指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰，也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。隔离电源模块的EMC测试包含EMI（电磁干扰）测试和EMS（电磁抗扰度）测试两项，那么如何保证电源模块的EMC性能呢？本文将为大家揭晓。 1、EMC简介 EMI电磁干扰指被测设备对周围设备产生干扰的能力，主要包括传导骚扰CE、辐射骚扰RE。电源模块的EMS电磁抗扰度指由于在正常运行时，设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰，根据国标根据国标GB/T 16821-2007 《通信用电源设备通用试验方法》中规定电源模块测试主要包括群脉冲抗扰度（EFT）、浪涌抗扰度（SURGE）、静电放电抗扰、辐射抗扰度等项目。 EMC的产生必须具备的三要素，干扰源、传输介质以及敏感设备，如下图1所示。三者缺一个都构不成EMC问题，那么电源模块的设计中仅需针对其中一个方面进行整改即可实现EMC防护，例如从干扰源进行根除、改善传输介质避免干扰传递或将敏感设备远离干扰源等方法。 图1 EMC三要素 2、EMC干扰防护第一式——电路设计 高功率密度、高转换效率的电源模块一般都是开关电源，在开关管开通、关断时，电压和电流都会被斩波，造成较大瞬态变化（di/dt、dv/dt），所以电源模块不论其使用什么样的拓扑结构，只要是开关电源，其都会产生一定程度的EMC干扰如图2所示。
电源电路单元 前面介绍了电路图中的元器件的作用和符号。一张电路图通常有几十乃至几百个元器件，它们的连线纵横交叉，形式变化多端，初学者往往不知道该从什么地方开始，怎样才能读懂它。其实电子电路本身有很强的规律性，不管多复杂的电路，经过分析可以发现，它是由少数几个单元电路组成的。好象孩子们玩的积木，虽然只有十来种或二三十种块块，可是在孩子们手中却可以搭成几十乃至几百种平面图形或立体模型。同样道理，再复杂的电路，经过分析就可发现，它也是由少数几个单元电路组成的。因此初学者只要先熟悉常用的基本单元电路，再学会分析和分解电路的本领，看懂一般的电路图应该是不难的。 按单元电路的功能可以把它们分成若干类，每一类又有好多种，全部单元电路大概总有几百种。下面我们选最常用的基本单元电路来介绍。让我们从电源电路开始。 一、电源电路的功能和组成 每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。 电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图 1 。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。 二、整流电路 整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。 （ 1 ）半波整流 半波整流电路只需一个二极管，见图 2 （ a ）。在交流电正半周时 VD 导通，负半周时 VD 截止，负载 R 上得到的是脉动的直流电
电源模块设计分析 Khanna 作者： Ramesh 美国国家半导体首席应用技术工程师 图1：电源供应 电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器 (参看图1)，其特点是可为特殊应用集成电路（ASIC）、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点电源供应系统 (POL) 或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点甚多，因此高性能电信、网络联系及数据通信等系统都广泛采用各种模块。虽然采用模块有很多优点，但工程师设计电源模块以至大部分板上直流/直流转换器时，往往忽略可靠性及测量方面的问题。下文将会审视这些问题，并分别提出相关的解决方案。 采用电源模块的优点 目前不同的供应商在市场上推出多种不同的电源模块，而不同产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同。采用电源模块可以节省开发时间，使产品可以更快推出市场，因此电源模块比集成式的解决方案优胜。电源模块还有以下多个优点：
? 每一模块可以分别加以严格测试，以确保其高度可靠，其中包括通电测试，以便剔除不合规格的产品。相较之下，集成式的解决方案便较难测试，因为整个供电系统与电路上的其他功能系统紧密联系一起。 ? 不同的供应商可以按照现有的技术标准设计同一大小的模块，为设计电源供应器的工程师提供多种不同的选择。 ? 每一模块的设计及测试都按照标准性能的规定进行，有助减少采用新技术所承受的风险 ? 若采用集成式的解决方案，一旦电源供应系统出现问题，便需要将整块主机板更换；若采用模块式的设计，只要将问题模块更换便可，这样有助节省成本及开发时间 经常被忽略的电源模块设计问题 虽然采用模块式的设计有以上的多个优点，但模块式设计以至板上直流/直流转换器设计也有本身的问题，很多人对这些问题认识不足，或不给予足够的重视。以下是其中的部分问题： ? 输出噪音的测量 ? 磁力系统的设计 ? 同步降压转换器的击穿现象 ? 印刷电路板的可靠性 这些问题会在下文一一加以讨论，下文还会介绍多种可解决这些问题的简单技术。 输出噪音的测量技术 所有采用开关模式的电源供应器都会输出噪音。开关频率越高，便越需要采用正确的测量技术，以确保所量度的数据准确可靠。量度输出噪音及其他重要数据时，可以采用图 2 所示的 Tektronix 探针探头 (一般称为冷喷嘴探头)，以确保测量数字准确可靠，而且符合预测。这种测量技术也确保接地环路可减至最小。
0 引言 特种单片开关电源有两种设计方案：第一种是采用通用单片开关电源集成电路(例如TOPSwitch-Ⅱ、TOPSwitch-FX、 TOPSwitch-GX等系列)，再配上电压控制环、电流控制环等外围电路设计而成的，其特点是输出功率较大，但外围电路复杂;第二种是采用最近问世的 LinkSwitch系列高效率恒压/恒流式三端单片开关电源芯片，或选用LinkSwitch-TN系列、DPA-Switch系列单片开关电源专用 IC，这样可大大简化电路，降低成本，适合构成中、小功率的特种开关电源。 1 2.5W恒压/恒流式充电器模块 下面介绍一种由LNK500构成的2.5W恒压/恒流式充电器模块。它适用于手机电池充电器、个人数字助理(PDA，即Personal Digital Assistant)、便携式音频设备、电动剃须刀、家用电器的内置电源(如彩电的备用电源、偏置电源)等领域。 1.1 性能特点和技术指标 1)采用高效率恒压/恒流式单片开关电源LNK500，交流输入电压范围是85～265V，当交流输入电压为265V时，漏电流<5μA，额定输出电压为5.5V，最大输出电流为0.45A，输出功率为2.5W。 2)低功耗，高效率，空载功耗<0.3W，电源效率的典型值η≈68%。 3)在峰值功率点，允许输出电压有±10%的误差，当初级电感量Lp的误差为±10%时，输出电流有±25%的误差。 4)电路简单，价格低廉，该电源仅需23个元器件，不需要次级反馈电路，用初级电路即可实现恒流/恒压输出，允许采用低价格、小尺寸的EE13型磁芯。 5)具有过热保护、输出短路保护及开环保护功能。 6)符合电磁兼容性国际标准CISPR22B/EN55022B。 1.2 2.5W恒压/恒流式充电器模块的电路设计 由LNK500构成2.5W恒压/恒流式充电器模块的内部电路如图1所示。FR为可自恢复熔断电阻器，它具有限流保护作用并能限制上电时的冲击电流。由VD1～VD4构成桥式整流，由电感L1、L2和电容C1、C2组成低功耗π型滤波器，能滤除电磁干扰。L2可采用3.3μH的磁珠。在LNK500内部功率MOSFET导通时，输出整流管VD6截止，此时电能就储存在高频变压器中。当功率MOSFET关断时，VD6导通，储存在高频变压器中的能量就通过次级电路输出。VD6采用1A/100V的肖特基二极管SB1100，R4和C7并联在VD6两端，能防止VD6在高频开关状态下产生自激振荡。C6为输出端滤波电容。R5为22kΩ的负载电阻。
第十章直流稳压电源（6学时） 主要内容: 10.1 小功率整流滤波电路 10.2 串联反馈式稳压电路 基本要求: 10.1 掌握单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算 10.2 了解带放大器的串联反馈式稳压电路的稳压原理及输出电压的计算，三端 集成稳压电源的使用方法及应用 教学要点： 重点介绍单相桥式整流电容滤波电路的工作原理及各项指标的计算，介绍串联反馈式稳压电路及三端集成稳压电路的稳压原理 讲义摘要： 10.1 单相整流电路 一、引言 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。 直流电源的方框图如图10.1.1所示。 如图10.1.1 二、单相桥式整流电路 1.工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图10.1.2所示。 图10.1.2单相桥式整流电路 （a）整流电路 (b)波形图
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10.1.2(a)的电路图可知： 当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10.1.2(b)。 2.参数计算 根据图10.1.2（b ）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。 输出平均电压为 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析。此时谐波分量中的二次谐波幅度最大，最低次谐波的幅值与平均值的比值称为脉动系数S 。 3.单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线 该曲线如图10.1.3所示。曲线的斜率代表了整流电路的内阻。 图10.1.3 负载特性曲线 三、单相半波整流电路 流过负载的平均电流为 L 2 L 2L 9.0π22R V R V I = =流过二极管的平均电流为 2 Rm ax 2V V =二极管所承受的最大反向电压 2 2π02L O 9.0π2 2d sin 2π1V V t t V V V ==?==ωωL 2L 2L D 45.0π22R V R V I I = ==) 4cos π154 2cos π34π2(22O +--=t t V v ωω67 .03 2π22π32422===V V S )(O O I f V =
§6.1 电源模块 电源是各种电子系统与设备的源动力，电源系统出故障，会使整个电子设备不能正常工作，因此电源性能的好坏直接影响到系统与设备工作质量和效率。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源。 按调整元件工作状态直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。小功率电源多用线性稳压电路，其中三端集成稳压器由于使用方便，应用越来越广泛。大功率电源多采用开关稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压。开关型稳压电路又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离，因而应用较广泛。 §6.1.1 稳压电源的性能指标 稳压电源的性能指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）、温度系数及负载稳定度。 1、稳压系数S：表示在负载电流与环境温度保持不变的情况下，由于输入电压Ui的变化而引起的输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量的比值，即：S=(△Uo/Uo)/(△Ui/Ui)，S越小电源的稳定性越好，通常S约为10～10。 2、输出电阻Ro：又叫等效内阻，表示当输入电压和环境温度保持不变时，由于负载电流Io变化而引起的输出电压的变化量与负载
电流的变化量的比值，即Ro=△Uo/△Io ，可见如果Ro 越小，则说明输出电压的变化越小，通常输出电阻可小到1欧，甚至0.01欧。 3、纹波系数ξ：输出直流电压中的交流分量叫纹波电压，纹波电压占输出直流电压的百分比称之为纹波系数，即ξ=[(U-)/Uo]×100%，显然，ξ越小越好。通常稳压电源的纹波电压只有几毫伏，甚至小于1毫伏。 4、电压温度系数T K ：当环境温度变化时，引起的输出电压的变化量与温度变化量的比值，即T U K T ΔΔ=/0，良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定。 5、负载稳定度I S ：又称负载调整率，指在输入电压不变的情况下，负载电流的变化而引起的输出电压的变化率，通常用输出电压的相对变化量与负载电流变化量之比来表示，即%1000 0×ΔΔ=I U U S I ，显然，I S 越小稳压电源的性能越好。 §6.1.2 线性稳压电源 线性稳压电源指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是比较早使用的一类直流稳压电源。其特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。 如图6－1所示，线性稳压电源由变压、整流、滤波和稳压三个部分组成。变压是将输入的220V 的交流电变成所需大小的交流电；整流指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电；滤波指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑；稳压指输入电压
电源模块设计 衔接更少寄生电感的电容器，就会表现出对高频率的低阻抗特性，然后削减传导辐射。主张运用陶瓷电容器（X7R或X5R）或其他低ESR型电容器。只要将额定的电容放在接近GND 和VIN端时，增加的更多的输入电容才干发扬效果。SIMPLE SWITCHER电源模块颠末共同描绘，自身即具有低辐射和传导EMI，而遵从本文引见的PCB结构指导方针，将取得更高功能。 回路电流的途径计划常被无视，但它关于优化电源描绘却起着关键效果。此外，应该尽量缩短且扩宽与Cin1和CO1之间的接地走线，ST代理并直接衔接裸焊盘，这关于具有较大沟通电流的输入电容(Cin1)接地衔接尤为重要。 全球呈现的动力缺少问题使各国政府都开端大力推广节能新政。电子产品的能耗规范越来越严厉，关于电源描绘工程师，如何描绘更高功率、更高功能的电源是一个永久的应战。本文从电源PCB的结构动身，引见了优化SIMPLE SWITCHER电源模块功能的最佳PCB结构办法、实例及技能。 环路2是在内部高端MOSFET的关断工夫以及低端MOSFET的导通工夫内构成的。内部电感器中存储的能量流经输出旁路电容器和低端MOSFET，最终回来GND。两个环路互不堆叠的区域（包罗环路间的鸿沟），即为高di/dt电流区域。在向转换器供给高频电流以及使高频电流回来其源途径的过程中，输入旁路电容器(Cin1)起着关键效果。 输出旁路电容器(Co1)固然不会带来较大沟通电流，但却会充任开关噪声的高频滤波器。鉴于上述缘由，在模块上输入和输出电容器应该尽量接近各自的VIN和VOUT引脚放置。若使旁路电容器与其各自的VIN和VOUT引脚之间的走线尽量缩短并扩宽，即可将这些衔接发生的电感降至最低。 将PCB结构中的电感降至最低，有以下两大优点。榜首,颠末促进能量在Cin1与CO1之间的传输来进步元件功能。这将保证模块具有杰出的高频旁路，将高di/dt电流发生的电感式电压峰值降至最低。还还能将器材噪声和电压应力降至最低，保证其正常操作。第二，最大化下降EMI。 模块中接地的引脚（包罗裸焊盘）、输入和输出电容器、软启动电容以及反应电阻，都应连至PCB上的回路层。此回路层可作为电感电流极低的回来途径以及下文将谈及的散热装置运用。反应电阻也应放置在尽能够接近模块FB（反应）引脚的方位上。要将此高阻抗节点上的潜在噪声提取值降至最低，令FB引脚与反应电阻中心抽头之间的走线尽能够短是
关于电源模块设计的解决方案 电源设计中即使是普通的直流到直流开关转换器的设计都会出现一系列问题，尤其在高功率电源设计中更是如此。除功能性考虑以外，工程师必须保证设计的鲁棒性，以符合成本目标要求以及热性能和空间限制，当然同时还要保证设计的进度。另外，出于产品规范和系统性能的考虑，电源产生的电磁干扰（EMI）必须足够低。不过，电源的电磁干扰水平却是设计中最难精确预计的项目。有些人甚至认为这简直是不可能的，设计人员能做的最多就是在设计中进行充分考虑，尤其在布局时。 尽管本文所讨论的原理适用于广泛的电源设计，但我们在此只关注直流到直流的转换器，因为它的应用相当广泛，几乎每一位硬件工程师都会接触到与它相关的工作，说不定什么时候就必须设计一个电源转换器。本文中我们将考虑与低电磁干扰设计相关的两种常见的折中方案；热性能、电磁干扰以及与PCB布局和电磁干扰相关的方案尺寸等。文中我们将使用一个简单的降压转换器做例子，如图1所示。 图1.普通的降压转换器 在频域内测量辐射和传导电磁干扰，这就是对已知波形做傅里叶级数展开，本文中我们着重考虑辐射电磁干扰性能。在同步降压转换器中，引起电磁干扰的主要开关波形是由Q1和Q2产生的，也就是每个场效应管在其各自导通周期内从漏极到源极的电流di／dt。图2所示的电流波形（Q和Q2on）不是很规则的梯形，但是我们的操作自由度也就更大，因为导体电流的过渡相对较慢，所以可以应用Henry Ott经典著作《电子系统中的噪声降低技术》中的公式1。我们发现，对于一个类似的波形，其上升和下降时间会直接影响谐波振幅或傅里叶系数（In）。
图2.Q1和Q2的波形 In=2IdSin（nπd）/nπd ×Sin（nπtr/T）/nπtr/T （1） 其中，n是谐波级次，T是周期，I是波形的峰值电流强度，d是占空比，而tr是tr 或tf的最小值。 在实际应用中，极有可能会同时遇到奇次和偶次谐波发射。如果只产生奇次谐波，那么波形的占空比必须精确为50%。而实际情况中极少有这样的占空比精度。 谐波系列的电磁干扰幅度受Q1和Q2的通断影响。在测量漏源电压VDS的上升时间tr 和下降时间tf，或流经Q1和Q2的电流上升率di／dt 时，可以很明显看到这一点。这也表示，我们可以很简单地通过减缓Q1或Q2的通断速度来降低电磁干扰水平。事实正是如此，延长开关时间的确对频率高于 f=1／πtr的谐波有很大影响。不过，此时必须在增加散热和降低损耗间进行折中。尽管如此，对这些参数加以控制仍是一个好方法，它有助于在电磁干扰和热性能间取得平衡。具体可以通过增加一个小阻值电阻（通常小于5Ω）实现，该电阻与Q1和Q2的栅极串联即可控制tr和tf，你也可以给栅极电阻串联一个“关断二极管”来独立控制过渡时间tr或tf（见图3）。这其实是一个迭代过程，甚至连经验最丰富的电源设计人员都使用这种方法。我们的最终目标是通过放慢晶体管的通断速度，使电磁干扰降低至可接受的水平，同时保证其温度足够低以确保稳定性。
本科毕业设计 题目DC/DC升压电源模块的设计系电子工程 专业 班级 学号 学生姓名 指导教师 完成日期
诚信承诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《DC/DC升压电源模块的设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年月日
摘要 DC/DC变换器是将一种直流电压变换为另一种所需的直流电压(固定或可调)。这种技术被广泛应用于计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业中，变换器还需要符合上述领域的安全标准。 本文重点讲述了DC-DC升压型变换器的工作原理，描述了DC-DC变换器的控制方法，同时，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理，分析比较了它们各自的优缺点。 本文设计了一款采用峰值电流控制型脉宽调制芯片UC3842设计的Boost升压型DC-DC变换电路，外接元器件少，控制灵活方便，输出电压稳定可调。在系统的硬件部分设计中，有三个部分组成，主要涉及到Boost拓扑结构电路、脉宽调制控制驱动电路、反馈闭环电路。在设计、制作、调试完整机之后，本系统基本能够达到预期的要求：1.在输入电压15V-20V范围内输出电压在32-55V；2.最大输出电流达到1A；3.DC/DC变换器的效率>70%。 关键词：升压型DC/DC变换器；电流控制；电压控制；脉宽调制
ABSTRACT DC-DC converter is one DC voltage is transformed into another DC voltage required (fixed or adjustable). This technology is widely used in computers, office automation equipment, industrial instrumentation, military, aerospace and other fields related to national economy sectors, the converter also need to meet safety standards in these areas. This paper focuses on the working principle of step-up DC-DC converter. Describes the DC-DC converter control method.At the same time, expounds the pulse width modulation of voltage control mode and the basic principle of current control model, and analyses their advantages and disadvantages. This paper designs a using current peak control mode pulse width modulation UC3842 chip design Boost booster type DC-DC transform circuit，less External components, control is flexible and convenient, the output voltage stability can be adjusted.There are three parts of hardware in the system design, mainly related to the Boost topology circuit, PWM control circuit, feedback loop circuit.In the design, production and testing after the system achieves the desired requirements: 1.The input voltage range of 15V-20V Output voltage 32-55V; 2.The maximum output current of 1A; 3.DC-DC Converter efficiency> 70%. Keywords: Step-up DC/DC converter; current control; voltage control; Pulse width modulation
系统芯片电源管理模块的设计 摘要：超深亚微米系统芯片具有规模大，复杂度高，系统时钟频率快的特点。 传统的由外部电源直接给芯片供电的方式，由于稳定性等问题往往不能保证芯片 正常工作，一些系统设计者采取的电源管理设计方法是采用外加电压转换电路芯片，以及低电压检测电路芯片。基于FC接口实现电源管理模块通信，实现较多 数据文件的传输。采用应用系统集成于SOC技术，尽可能减少系统体积重量，提 高系统的性能、可靠性，并能降低系统的制造成本。 关键词：智能手机；电源模块；设计 随着人类社会向智能化的方向发展，嵌入式的应用也逐渐迎来了新的发展前景。各种各样的电子娱乐设备不断进入人们的生活中，其中以便携式设备的使用 最为广泛，如手机，笔记本电脑，数码相机等。而嵌入式便携设备大多都有功耗 约束，降低功耗，延长待机时间是其追求的目标。目前很多智能手机在密集使用 下只能维持半天，多数摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累 积工作时间。这些便携设备的待机时间相对较短，不能很好的满足用户的使用需求。 一、智能电源管理模块的系统结构 智能电源管理模块是以片上系统SOC为控制中心，实现对数据的采集。模块 由电压电流调理电路、开关阵列电路、AD 选通转换电路、控制器、存储器、FC 接口等构成，主要负责电源模块的检测和控制。当上电BIT 测试正确，则电源管 理模块以一组固定的动作序列去控制开关阵列PSA 向外供电；若流经PSA 电流超 出范围Is≥IsMAX，控制PSA 并对其进行状态转换；在应急供电下，停止对通用模 块供电，只对关键模块供电；电源管理模块通过FC 接口与系统管理者进行传输 开关动作状态、报警信息、数据各支路电流，记录电源自测试BIT 结果、故障信息。 二、电源管理模块电路设计 1、复位电路。复位类型包括上电复位、手动复位、调试口复位、软件复位 和看门狗复位。上电或手动复位有效时产生200ms 的低电平复位信号，提供给SOC芯片作为系统复位触发源之一。调试口复位由外部调试工具产生，用于复位ARM922T 处理器的调试接口。软件复位指系统根据软件运行要求生成的复位触发源。而当系统在规定时间内，没有得到响应时产生看门狗复位。当SOC芯片接收 到上述复位类型中任意一种触发复位机制，由SOC芯片输出系统复位信号对电源 管理模块进行复位。 2、时钟电路。电源管理模块中需要使用时钟的电路有：SOC芯片、FC 接口。其中，SOC芯片选择53.125MHz 运行时钟，内部进行4 倍频提供ARM922T 处理 器使用。FC 接口收、发数据时钟频率为106.25MHz。 3、存储器电路。电源管理模块中的存储器是SDRAM 存储器。该存储器工作 电压为3.3V，封装为54 引脚的TSOP，容量为32M*16。在设计时使用2 片 K4S511632E 实现32 位操作。SOC芯片内置SDRAM 存储器控制器，提供SDRAM 的时序控制逻辑，并且提供SDRAM 访问时钟，时钟频率为56.125MHz，同存储 器时钟的时钟频率和相位在EDA 设计时保持一致。 4、逻辑控制电路。它是电源管理模块的控制部分，由重写电路、状态控制 电路、模拟控制电路、低电压逻辑电路、重启控制电路五部分组成。重启控制电 路接收电源启动信号和由低电压逻辑控制电路产生的低电压重启信号，产生控制
电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器（参看图1），其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、微处理器、存储器、现场可编程门阵列（FPGA）及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点（POL）电源供应系统或使用点电源供应系统（PUPS）。由于模块式结构的优点甚多，因此高性能电信、网络联系及数据通信等系统都广泛采用各种模块。虽然采用模块有很多优点，但工程师设计电源模块以至大部分板上直流/直流转换器时，往往忽略可靠性及测量方面的问题。本文将深入探讨这些问题，并分别提出相关的解决方案。 采用电源模块的优点 目前不同的供应商在市场上推出多种不同的电源模块，而不同产品的输入电压、输出功率、功能及拓扑结构等都各不相同。采用电源模块可以节省开发时间，使产品可以更快推出市场，因此电源模块比集成式的解决方案优胜。电源模块还有以下多个优点： ● 每一模块可以分别加以严格测试，以确保其高度可靠，其中包括通电测试，以便剔除不合规格的产品。相较之下，集成式的解决方案便较难测试，因为整个供电系统与电路上的其他功能系统紧密联系一起。 ● 不同的供应商可以按照现有的技术标准设计同一大小的模块，为设计电源供应器的工程师提供多种不同的选择。 ● 每一模块的设计及测试都按照标准性能的规定进行，有助减少采用新技术所承受的风险。 ● 若采用集成式的解决方案，一旦电源供应系统出现问题，便需要将整块主机板更换；若采用模块式的设计，只要将问题模块更换便可，这样有助节省成本及开发时间。 容易被忽略的电源模块设计问题 虽然采用模块式的设计有以上的多个优点，但模块式设计以至板上直流/直流转换器设计也有本身的问题，很多人对这些问题认识不足，或不给予足够的重视。以下是其中的部分问题： ● 输出噪音的测量； ● 磁力系统的设计； ● 同步降压转换器的击穿现象； ● 印刷电路板的可靠性。 这些问题会将在下文中一一加以讨论，同时还会介绍多种可解决这些问题的简单技术。 输出噪音的测量技术
技术精华：电源模块的P C B设计为什么要学习电源电路的设计? 电源电路是一个电子产品的重要组成部分，电源电路设计的好坏，直接牵连产品性能的好坏。 电源电路的分类我们电子产品的电源电路主要有线性电源和高频开关电源。从理论上讲，线性电源是用户需要多少电流，输入端就要提供多少电流;开关电源是用户需要多少功率，输入端就提供多少功率。 线性电源电路原理图举例线性电源功率器件工作在线性状态，如我们常用的稳压芯片LM7805、LM317、SPX1117等。下图1是L M7805稳压电源电路原理图。 图1.线性电源原理图
从图上可知，线性电源有整流、滤波、稳压、储能等功能元件组成，同时，一般用的线性电源为串联稳压电源，输出电流等于输入电流，I1=I2+I3，I3是参考端，电流很小，因此I1≈I3。我们为什么要讲电流，是因为PCB设计时，每条线的宽度不是随便设的，是要根据原理图里元件节点间的电流大小来确定的(请查《PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表》)。电流大小、电流流向要搞清楚，做板才恰到好处。线性电源P C B图PCB设计时，元件的布局要紧凑，要让所有的连线尽可能短，要按原理图元件功能关系去布局元件与走线。本电源图里就是先整流、再滤波、滤波后才是稳压、稳压后才是储能电容、流经电容后才给后面的电路用电。 图2是上面原理图的PCB图，两个图相似。左图和右图就是走线有点不一样，左图的电源经整流后直接就到了稳压芯片的输入脚了，然后才是稳压电容，这里电容所起的滤波效果就差了很多，输出也有问题。右图就是比较好的图了。我们不仅要考虑正电源的流向问题，还必须考虑地回流问题，一般来说，正电源线和地回流线要尽可能同进同出，彼此离近点。 图2.线性电源P C B图设计线性电源PCB时还应注意，线性电源的功率稳压芯片的散热问题，热量是怎么来的，若稳压芯片前端电压是10V，输出端是5V,输出电流为500mA，那在稳压芯片上就有5V的电压降，产生的热量就为2.5W;如果输入端电压是15V，电压降就是10V，产生的热量就为5W，因此，我们布板是要根据散热功率来留出足够的散热空间或合理的散热片。线性电源一般用在压差比较小，电流比较小的场合，否则，请改用开关电源电路。 高频开关电源电路原理图举例