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詳敘工控設備電源、3D打印機電源等開關電源設計方法（一）

來源：發(fā)布時間：2019-05-18 點擊量：1194

詳敘工控設備電源、3D打印機電源等開關電源設計方法（一）

說起開關電源，大家會想到有哪些？從電源功能分就有工控設備電源、3D打印機電源、調(diào)光電源，防雨電源等等。成良公司生產(chǎn)的開關電源，產(chǎn)品均用優(yōu)質(zhì)電子料生產(chǎn)，純銅變壓器，優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設計保證了產(chǎn)品能安全高效的運轉(zhuǎn)。本文今天先從兩個方面來說說。

方法一：為工控設備電源、3D打印機電源等開關電源選擇正確的工作頻率
為工控設備電源、3D打印機電源等開關電源選擇最佳的工作頻率是一個復雜的權(quán)衡過程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來說，低頻率設計往往是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調(diào)高頻率可以縮小尺寸并降低成本，但會增加電路損耗。接下來，我們使用一款簡單的降壓電源來描述這些權(quán)衡過程。

我們以濾波器組件作為開始。這些組件占據(jù)了工控設備電源、3D打印機電源體積的大部分，同時濾波器的尺寸同工作頻率成反比關系。另一方面，每一次開關轉(zhuǎn)換都會伴有能量損耗；工作頻率越高，開關損耗就越高，同時效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運行能夠帶來極大的成本節(jié)約。

降壓工控設備電源、3D打印機電源頻率與體積的關系。頻率為100 kHz時，電感占據(jù)了電源體積的大部分。如果我們假設電感體積與其能量相關，那么其體積縮小將與頻率成正比例關系。由于某種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并限制尺寸的進一步縮小，因此在此情況下上述假設就不容樂觀了。如果該設計使用陶瓷電容，那么輸出電容體積便會隨頻率縮小，即所需電容降低。

另一方面，之所以通常會選用輸入電容，是因為其具有紋波電流額定值。該額定值不會隨頻率而明顯變化，因此其體積往往可以保持恒定。另外，工控設備電源、3D打印機電源的半導體部分不會隨頻率而變化。這樣，由于低頻開關，無源器件會占據(jù)電源體積的大部分。當我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時，半導體開始占據(jù)較大的空間比例。

半導體體積本質(zhì)上并未隨頻率而變化，而這一關系可能過于簡單化。與半導體相關的損耗主要有兩類：傳導損耗和開關損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關系。MOSFET 面積越大，其電阻和傳導損耗就越低。

開關損耗與MOSFET 開關的速度以及MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關。這些都與器件尺寸的大小相關。大體積器件具有較慢的開關速度以及更多的電容。兩種不同工作頻率 (F) 的關系。傳導損耗 (Pcon) 與工作頻率無關，而開關損耗 (Psw F1 和Psw F2) 與工作頻率成正比例關系。因此更高的工作頻率 (Psw F2) 會產(chǎn)生更高的開關損耗。當開關損耗和傳導損耗相等時，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著工作頻率提高，總損耗將更高。

但是，在更高的工作頻率下，最佳裸片面積較小，從而帶來成本節(jié)約。實際上，在低頻率下，通過調(diào)整裸片面積來最小化損耗會帶來極高成本的設計。但是，轉(zhuǎn)到更高工作頻率后，我們就可以優(yōu)化裸片面積來降低損耗，從而縮小工控設備電源、3D打印機電源的半導體體積。這樣做的缺點是，如果我們不改進半導體技術，那么工控設備電源、3D打印機電源的效率將會降低。

提高工作頻率會導致更高的總體損耗
更高的工作頻率可縮小電感體積；所需的內(nèi)層芯板會減少。更高頻率還可降低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容，我們就可以使用更低的電容值或更少的電容。這有助于縮小半導體裸片面積，進而降低成本。

方法二：駕馭噪聲電源
無噪聲電源并非是偶然設計出來的。一種好的工控設備電源、3D打印機電源布局是在設計時最大程度的縮短實驗時間?；ㄙM數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時的時間來仔細查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時間。
電源內(nèi)部一些主要噪聲敏感型電路的結(jié)構(gòu)圖。將輸出電壓與一個參考電壓進行比較以生成一個誤差信號，然后再將該信號與一個斜坡相比較，以生成一個用于驅(qū)動功率級的PWM（脈寬調(diào)制）信號。

工控設備電源、3D打印機電源噪聲主要來自三個地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節(jié)點進行精心的電氣設計和物理設計有助于最大程度地縮短故障診斷時間。一般而言，噪聲會與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設計可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠離所有開關波形。接地層也具有屏蔽作用。

低電平控制電路的諸多噪聲形成機會

誤差放大器輸入端可能是工控設備電源、3D打印機電源中最為敏感的節(jié)點，因為其通常具有最多的連接組件。如果將其與該級的極高增益和高阻抗相結(jié)合，后患無窮。在布局過程中，您必須最小化節(jié)點長度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網(wǎng)絡中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯(lián)電阻-電容也可能形成補償網(wǎng)絡。最理想的結(jié)果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號注入該電阻-電容節(jié)點時，那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。

斜坡是另一個潛在的會帶來噪聲問題的地方。斜坡通常由電容器充電（電壓模式）生成，或由來自于工控設備電源、3D打印機電源開關電流的采樣（電流模式）生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個問題。

因為電容對高頻注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因為存在了上升邊沿峰值、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應。

電流斜坡存在的一些問題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產(chǎn)生的電流斜坡。比較器（根據(jù)其不同速度）具有兩個電壓結(jié)點 (potential trip points)，結(jié)果是無序控制運行，聽起來更像是煎熏肉的聲音。

利用控制IC中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制IC放置。正如這兩種波形表現(xiàn)出來的那樣，另一種常見的問題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅(qū)動波形表現(xiàn)為非充分斜率補償。向當前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問題。

有時，控制IC中的參考電壓易受開關波形的影響。利用添加更多（或適當）的旁路可能會使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅(qū)動電阻來減緩開關波形也可能會有助于解決這一問題。如果問題出在誤差放大器上，那么降低補償組件阻抗會有所幫助，因為這樣降低了注入信號的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節(jié)點去除。對補償組件進行架空布線 (air wiring) 可以幫助我們識別出哪里有問題。

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