开关电源原理分类与布线规则.docx

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开关电源原理分类与布线规则

开关电源原理及分类

1、12V/5V两路输出开关电源。

（1）原理图设计（参考PI软件给出的解决方案）（拓扑图）

采用反激式。

c:

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主回路—开关电源中，功率电流流经的通路。

主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。

　　开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。

　　开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1.非隔离式电路的类型：

　　非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。

1.1.串联式结构

　　串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

　　开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

　　串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。

例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源

c:

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上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。

其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。

在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。

对于图1-2，如果不看控制开关T和输入电压Ui，它是一个典型的反г型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。

串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：

1.2.并联式结构

　　并联——在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。

　　开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。

　　由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。

并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。

例如boots拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。

并联开关电源输出电压Uo为：

boots拓扑输出电压Uo：

Uo=Ui（1+D/1-D）=Ui（1/1-D）（D为占空比）

1.3.极性反转型变换器结构（inverting）

　　极性反转——输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是：

在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。

（也是串联式开关电源的一种，一般又称为反转式串联开关电源）

　　开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。

反转式串联开关电源输出电压Uo为：

由（1-27）式可以看出，反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比，与开关关断的时间成反比。

2.隔离式电路的类型：

　　隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。

2.1.单端正激式singleForward Converter（又叫单端正激式变压器开关电源）

　　单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器 （又叫单激）

双激式（双端）变压器开关电源：

所谓双激式变压器开关电源，就是指在一个工作周期之内，变压器的初级线圈分别被直流电压正、反激励两次。

与单激式变压器开关电源不同，双激式变压器开关电源一般在整个工作周期之内，都向负载提供功率输出。

双激式变压器开关电源输出功率一般都很大，因此，双激式变压器开关电源在一些中、大型电子设备中应用很广泛。

这种大功率双激式变压器开关电源最大输出功率可以达300瓦以上，甚至可以超过1000瓦。

推挽式、半桥式、全桥式等变压器开关电源都属于双激式变压器开关电源。

）

（单激式变压器开关电源普遍应用于小功率电子设备之中，因此，单激式变压器开关电源应用非常广泛。

而双激式变压器开关电源一般用于功率较大的电子设备之中，并且电路一般也要复杂一些。

单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的激式变压器的体积大，因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲线的单端，磁回路曲线变化的面积很小。

）

正激式：

就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。

目前属于这种模式的开关电源有：

串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。

反激式：

就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。

属于这种模式的开关电源有：

并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。

　　正激变压器——脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。

所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。

（正激式变压器开关电源是推免式变压器开关电源衍生过来的，推免式有两个控制开关，正激式改成一个开关控制。

）

U1是开关电源的输入电压，N是开关变压器，T是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，RL是负载电阻。

（对于加不加N3和D3主要由设计者来决定，如果不加N3和D3就得在变压器初级线圈N1的两端并联一个RC电路，用来吸收变压器产生的反激式输出能量，要么变压器初级线圈产生的反电动势非常高，很容易把电源开关管击穿。

这个反激式能量很大，如果用RC电路来吸收，能量会白白的浪费掉，使开关电源的工作效率大大下降。

因此，如果你不考虑工作效率，也可以不加N3和D3，而加一个RC电路。

）

工作原理：

开关管T导通时，D1也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管T截止时，电感Ｌ通过续流二极管D2继续向负载释放能量。

 在上图中，需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。

如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，上图就不再是正激式变压器开关电源了

　　该电路的最大问题是：

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。

图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。

优点：

1）正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好。

2）正激式变压器开关电源的负载能力相对来说比较强，输出电压的纹波比较小。

（说明正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好很多。

）

缺点：

1）电路中比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。

2）正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。

3）变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。

（一般正激式变压器开关电源都设置有一个反电动势能量吸收回路，如的变压器反馈线圈N3绕组和整流二极管D3。

由于反电动势电压高因此，正激式变压器开关电源在输入电压为交流220伏的设备中很少使用，或者用两个电源开关管串联来使用）

2.2.单端反激式SingleF1ybackConverter（单端反激式变压器开关电源）

 所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

　　工作原理：

当开关K关闭时,变压器初级N1有电流Ip,并将能量储存于其中（e1=L1di/dt=Ui或者e1=N1dф/dt=Ui）.由于N1与N2极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关K打开时,由楞次定律:

（e=-N△Φ/△T）可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通

反激式变压器开关电源的输出电压为：

（1-110）式中，Uo为反激式变压器开关电源的输出电压，Ui变压器初级线圈输入电压，D为控制开关的占空比，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

 一、反激式转换器的优点有:

1.电路简单比正反激式少用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管，因此，反激式的体积要比正激式变压器开关电源的体积小，且成本也要降低。

且能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.　

2.转换效率高,损失小.　

3.变压器匝数比值较小.　

4.输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在85~265V间.无需切换而达到稳定输出的要求.　

二、反激式转换器的缺点有:

1.电压和电流输出特性要比正激式变压器开关电源差，输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下.　

2.转换变压器在电流连续（CCM）模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.　

3.变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM/DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.　

2.3.推挽Pushpull（变压器中心抽头）式

　　这种电路结构的特点是：

对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

　　主要优点：

高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。

　　主要缺点：

变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。

2.4.全桥式FullBridgeConverter

　　这种电路结构的特点是：

由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

　　图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端；T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。

两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。

　　主要优点：

与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。

　　主要缺点：

使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。

这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

2.5.半桥式HalfBridgeConverter

　　电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。

　　主要优点：

具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。

这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。

谐振式开关电源

在脉冲调制电路中，加入C、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。

这种开关电源成为谐振式开关电源。

利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。

所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。

又分为：

1．ZCS——零电流开关。

开关管在零电流时关断。

2．ZVS——零电压开关。

开关管在零电压时关断。

串并联谐振（SPRC,也叫LCC谐振）

 对于谐振变换来讲，串联谐振（SRC），并联谐振（PRC）,以及串并联谐振（SPRC,也叫LCC谐振）是三种主要的流行拓扑结构。

这三种拓扑的分析和设计已经非常系统。

下面将研究这三种拓扑在前端变换中的应用。

DC／DC电源变换器的拓扑类型 

0引言

   本文的第一部分为“DC／DC电源变换器拓扑的分类”，第二部分是在参考美国TI公司资料的基础上撰写而成的，新增加了各种DC／DC电源变换器的主要特点及PWM控制器的典型产品，另外还按照目标对电路结构、波形参数和汁算公式中的物理量作了统一。

本文的特点足以表格形式归纳了常见DC／DC电源变换器的拓扑结构．这对电源专业的广大技术人员是一份不可多得的技术资料。

1DC／DC电源变换器拓扑结构的分类

   DC／DC电源变换器的拓扑类型主要有以下13种：

（1）BuckConverter降压式变换器；

（2）BoostConyerter升压式变换器；

   （3）Buck—BoostConverter降压/升压式变换器，含极性反转（Inverting）式变换器；

   （4）CukConverter升压，升压串联式变换器；

   （5）SEPIC（SingleEndcdPdimaryInductorConverter）单端一次侧电感式变换器；

   （6）F1ybackConverter反激式（亦称回扫式）变换器；

   （7）ForwardConverter正激式变换器：

   （8）DoubleSwitchesForwardConverter双开关正激式变换器；

   （9）ActiveClampForwardConverter有源箝位

   （0）HalfBridgeConverter半桥式变换器；

   （11）FullBridgeConverter全桥式变换器；

   （12）PushpullConvener推挽式变换器：

   （13）PhaseShiftSwitchingZVT（PhaseShiftSwitchingZeroVoltageTransition）移相式零电压开关变换器。

2常见DC／DC电源变换器的拓扑类型

   常见DC/DC电源变换器的拓扑类型见表1～表3所列。

表中给出不同的电路结构，同时也给出相应的电压及电流波形（设相关的电感电流为连续工作方式）。

PWM表示脉宽调制波形，U1为直流输入电压，UDS为功率丌关管S1（MOSFFT）的漏一源极电压。

ID1为S1的漏极电流。

IF1为D1的工作电流，U0为输出电压，IL为负载电流。

T为周期，t为UO呈高电平（或低电平）的时间及开关导通时间，D为占空比，有关系式：

D=t/T。

C1、C2均为输入端滤波电容，CO为输出端滤波电容，L1、L2为电感。

3、RC钳位电路：

由于变压器漏感的存在，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏。

因此，为确保反激变换器安全可靠工作，必须引入钳位电路吸收漏感能量。

钳位电路可分为有源和无源钳位电路两类，其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。

在无源钳位电路中，RCD钳位电路因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐。

RCD钳位电路在吸收漏感能量的时候，同时也会吸收变压器中的一部分储能，所以RCD钳位电路参数的选择，以及能耗到底为多少，想要确定这些情况会变得比较复杂。

对其做详细的分析是非常必要的，因为它关系到开关管上的尖峰电压，从而影响到开关管的选择，进而会影响到EMI，并且，RCD电路设计不当，会对效率造成影响，而过多的能量损耗又会带来温升问题，所以说RCD钳位电路可以说是很重要的部分。

开关电源布线规则

一、采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。

为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。

尽量避免大电流高电压布线与测量线、控制线的并行布线。

在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。

二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。

最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。

焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。

三、元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。

例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。

大功率的器件最好能比较规整地布局，便于散热器的安装及散热风道的设计。

在大电流高电压的布线连接中，尽量避免用导线在空间中长距离连接，它导致的干扰是很难处理的。

交流输入与直流输出要有较明确的布局区分，最佳办法是能够互相隔离。

控制电路与主功率电路要有较明确的布局区分。

输入端与输出端（包括DC/DC变换初级与次级）布线距离最少要在5毫米以上。

每一个开关电源都有四个电流回路：

（1）.电源开关交流回路

（2）.输出整流交流回路

（3）.输入信号源电流回路

（4）.输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。

所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。

电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。

这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。

建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：

•放置变压器

•设计电源开关电流回路

•设计输出整流器电流回路

•连接到交流电源电路的控制电路

•设计输入电流源回路和输入滤波器设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

（1）首先要考虑PCB尺寸大小。

PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。

电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：

2或4：

3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。

（2）放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。

（3）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。

元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,去耦电容尽量靠近器件的VCC。

（4）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。

一般电路应尽可能使元器件平行排列。

这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。

（5）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

（6）布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。

（7）尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。

屏蔽地的布线不能构成明显的环路，这样的话会形成天线效应，容易引入干扰。

四、布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。

即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题（甚至再次辐射出干扰信号）。

因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。

印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。

长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。

根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。

同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。

接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。

因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。

如果成本允许的情况下，可采用多层板布线，有专门的辅助电源层与地层，将大大降低EMC的影响。

在地线设计中应注意以下几点：

1.正确选择单点接地，通常滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。

做不到单点时，在共地处接两二极管或一小电阻，其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。

工作地是最容易受干扰的，因此尽量采取大面积敷铜的布线办法。

2.将数字电路与模拟电路分开。

3.将接地线构成闭环路。

4.尽量加粗接地线。

若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它