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詳敘工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源等開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法（一）

來源：發(fā)布時(shí)間：2019-05-18 點(diǎn)擊量：1153

詳敘工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源等開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法（一）

說起開關(guān)電源，大家會(huì)想到有哪些？從電源功能分就有工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源、調(diào)光電源，防雨電源等等。成良公司生產(chǎn)的開關(guān)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(shè)計(jì)保證了產(chǎn)品能安全高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。本文今天先從兩個(gè)方面來說說。

方法一：為工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源等開關(guān)電源選擇正確的工作頻率
為工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源等開關(guān)電源選擇最佳的工作頻率是一個(gè)復(fù)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(shè)計(jì)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(huì)增加電路損耗。接下來，我們使用一款簡(jiǎn)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(shè)備電源、3D打印機(jī)電源體積的大部分，同時(shí)濾波器的尺寸同工作頻率成反比關(guān)系。另一方面，每一次開關(guān)轉(zhuǎn)換都會(huì)伴有能量損耗；工作頻率越高，開關(guān)損耗就越高，同時(shí)效率也就越低。其次，較高的頻率運(yùn)行通常意味著可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運(yùn)行能夠帶來極大的成本節(jié)約。

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

另一方面，之所以通常會(huì)選用輸入電容，是因?yàn)槠渚哂屑y波電流額定值。該額定值不會(huì)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(shè)備電源、3D打印機(jī)電源的半導(dǎo)體部分不會(huì)隨頻率而變化。這樣，由于低頻開關(guān)，無源器件會(huì)占據(jù)電源體積的大部分。當(dāng)我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時(shí)，半導(dǎo)體開始占據(jù)較大的空間比例。

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

開關(guān)損耗與MOSFET 開關(guān)的速度以及MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關(guān)。這些都與器件尺寸的大小相關(guān)。大體積器件具有較慢的開關(guān)速度以及更多的電容。兩種不同工作頻率 (F) 的關(guān)系。傳導(dǎo)損耗 (Pcon) 與工作頻率無關(guān)，而開關(guān)損耗 (Psw F1 和Psw F2) 與工作頻率成正比例關(guān)系。因此更高的工作頻率 (Psw F2) 會(huì)產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。當(dāng)開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗相等時(shí)，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(shí)際上，在低頻率下，通過調(diào)整裸片面積來最小化損耗會(huì)帶來極高成本的設(shè)計(jì)。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(shè)備電源、3D打印機(jī)電源的半導(dǎo)體體積。這樣做的缺點(diǎn)是，如果我們不改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)，那么工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源的效率將會(huì)降低。

提高工作頻率會(huì)導(dǎo)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(huì)減少。更高頻率還可降低對(duì)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(dǎo)體裸片面積，進(jìn)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(shè)計(jì)出來的。一種好的工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源布局是在設(shè)計(jì)時(shí)最大程度的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間?；ㄙM(fèi)數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時(shí)的時(shí)間來仔細(xì)查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時(shí)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(gè)參考電壓進(jìn)行比較以生成一個(gè)誤差信號(hào)，然后再將該信號(hào)與一個(gè)斜坡相比較，以生成一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)。

工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源噪聲主要來自三個(gè)地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精心的電氣設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)有助于最大程度地縮短故障診斷時(shí)間。一般而言，噪聲會(huì)與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設(shè)計(jì)可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠(yuǎn)離所有開關(guān)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(jī)會(huì)

誤差放大器輸入端可能是工控設(shè)備電源、3D打印機(jī)電源中最為敏感的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠渫ǔ＞哂凶疃嗟倪B接組件。如果將其與該級(jí)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(diǎn)長(zhǎng)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(luò)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。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(hào)注入該電阻-電容節(jié)點(diǎn)時(shí)，那么該高頻信號(hào)就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對(duì)高頻信號(hào)的阻抗則很小。

斜坡是另一個(gè)潛在的會(huì)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(shè)備電源、3D打印機(jī)電源開關(guān)電流的采樣（電流模式）生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個(gè)問題。

因?yàn)殡娙輰?duì)高頻注入信號(hào)的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因?yàn)榇嬖诹松仙呇胤逯?、相?duì)較小的斜坡振幅以及功率級(jí)寄生效應(yīng)。

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(gè)電壓結(jié)點(diǎn) (potential trip points)，結(jié)果是無序控制運(yùn)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(dòng)波形表現(xiàn)為非充分斜率補(bǔ)償。向當(dāng)前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問題。

有時(shí)，控制IC中的參考電壓易受開關(guān)波形的影響。利用添加更多（或適當(dāng)）的旁路可能會(huì)使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅(qū)動(dòng)電阻來減緩開關(guān)波形也可能會(huì)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(bǔ)償組件阻抗會(huì)有所幫助，因?yàn)檫@樣降低了注入信號(hào)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(diǎn)去除。對(duì)補(bǔ)償組件進(jìn)行架空布線 (air wiring) 可以幫助我們識(shí)別出哪里有問題。

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