開關電源設計在生產實習教學中的應用探索*

◆陳新兵 謝斌盛 胡維 張方櫻 龍曉莉

作者：陳新兵，實驗師，廣州大學校實驗中心電子信息實驗室副主任，主要負責電工電子類實踐課程的教學、建設與管理工作，長期從事省電工電子實驗教學示范中心的內涵建設；謝斌盛、胡維、張方櫻、龍曉莉，廣州大學實驗中心（510006）。

1 引言

生產實習是電類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，旨在幫助學生適應行業(yè)需求，向工程師角色轉變。然而，一般企業(yè)不提供短期硬件設計開發(fā)類崗位，當前的生產實習觀摩體驗居多，學生參與深度不夠，專業(yè)實踐效果不佳[1-4]，產品設計與開發(fā)環(huán)節(jié)亟待加強。而工程案例的選取及其教學設計至關重要。

移動和便攜設備的普及，以及新能源的推廣，對電源效率、能耗、成本和體積的要求越來越高，反激式拓撲由于這些方面的優(yōu)勢[5]，在中小功率開關電源中得到廣泛應用，相關應用研究方興未艾。開關電源的設計，既涉及電路設計和電子工藝等應用問題，也涉及電子技術基本理論問題，有較好的工程應用和理論研究價值，對學生將來的工作生活和進一步深造都有幫助，具有一定的典型性，是生產實習教學改革的理想工程案例。下面從拓撲演進、典型應用、電路板設計和電子工藝方面介紹實習教學設計。

2 拓撲原型

從開關電源結構入手，簡要介紹各類變換器拓撲原型，重點介紹Buck-Boost變換器及其工作原理，進而引出反激式電源設計，為后續(xù)講解隔離式電源及其調節(jié)器設計奠定基礎。

電源適配器是將不穩(wěn)定的供電變換成負載所需的穩(wěn)定直流輸出，由使輸出匹配的變換器和輸出穩(wěn)定的調節(jié)器構成，Buck、Boost和Buck-Boost拓撲是各類電源變換器的拓撲原型[6]，具有相似的電路形式，區(qū)別在于開關管、電感和二極管的拓撲位置（圖1陰影部分）。

圖1 拓撲原型——Buck-Boost變換器

圖1 是一種Buck-Boost變換器，能量通過電感傳輸，其輸出可高于或低于輸入，因與輸入極性相反，也稱反轉型變換器，是反激式電源設計的參考原型。該電源對供電要求不高，在新能源和LED照明中應用較廣，對于后續(xù)反激式電源的理解與設計也非常關鍵。

Buck-Boost變換器工作原理：當開關管S導通時，電流流過電感線圈L，L存儲能量；當S斷開時，電感電流有減小趨勢，產生自感電動勢，電感電壓極性反轉，二極管D受正向偏壓而導通，負載上有了電壓輸出Vo，電容C充能存儲，以備S轉至導通時放電維持Vo不變。

圖2 反激式電源拓撲——PCM模式

3 反激式電源拓撲

從耦合電感入手，介紹反激式變換器的隔離作用，重點介紹反激式電源的調節(jié)器設計，必要時介紹一下反激變壓器設計，最后結合電子技術理論，介紹一下各類應用問題，以便改進電路設計。

Buck-Boost變換器中的電感換為耦合電感，即成為反激式變換器（圖2），利用耦合電感實現(xiàn)輸入與輸出回路間的電氣隔離，提高安全性。圖2陰影部分是調節(jié)器模塊，根據原邊反饋電流峰值，實現(xiàn)對功率管的開關控制，原邊回路和副邊回路交替導通。反激式變換器所需外接的元件很少，動態(tài)范圍大，其輸入可以是直流，也可以是整流后的交流市電，在中小功率電源中應用較多，也常用于LED驅動電源[7-8]。電路中的耦合電感，亦稱反激變壓器，由于其初級和次級電流并非同時出現(xiàn)，且都是單向的脈動直流，僅起到電感作用，稱為耦合電感更為合適，能量變換服從安匝守恒。

反激式電源工作原理：當功率管S導通時，電流通過變壓器原邊繞組，電路電流線性上升，電能轉變?yōu)榇拍埽瑑Υ嬗诜醇ぷ儔浩髦?，原邊電感電壓為正，此時變壓器次級的二極管反向偏置而截止，無電流，負載由先前被充電的輸出電容C供電；當原邊回路電流升至參考值Iref時，調節(jié)器關斷開關管S，電感電壓極性反轉，二極管正偏使副邊回路導通，儲存在變壓器中的磁能轉變?yōu)殡娔埽瑢敵鲭娙軨充電、儲能，同時對負載供電。整個電路工作于DCM電流斷續(xù)方式，改變開關管的開關頻率、占空比和耦合電感，即可調節(jié)輸出。

涉及的應用問題，既涉及變換器部分，也涉及調節(jié)器部分，學生可根據實際需要，改進電路設計。主要方面有反激變壓器的制作、反激變壓器的保護（RCD電路）、RS觸發(fā)器的實現(xiàn)（基本門電路）、調節(jié)器芯片的軟啟動與供電設計、各類保護電路（隔離、短路、開路、欠壓、過熱）。

此外，消隱電路和時鐘占空比的設計非常重要。為了防止誤動作，在開關管閉合的尖峰期間應采取消隱措施，可以采用簡單的RC濾波器消除尖峰，也可以使用單穩(wěn)態(tài)電路（555定時器）進行前沿消隱。時鐘脈沖占空比的設定，應使整個電源工作于DCM方式，避免出現(xiàn)RS觸發(fā)器不定態(tài)的出現(xiàn)。

4 典型應用設計

以IC應用為目標是生產實習提高設計開發(fā)能力的關鍵。首先從調節(jié)器入手，介紹典型應用電路，并結合Altium Designer軟件，重點介紹原理圖設計技巧，為電路板設計奠定基礎，學生根據實際應用需要改進電路設計。

芯片簡介 開關電源由變換器和調節(jié)器兩部分組成，前者常由市電驅動，加入整流濾波環(huán)節(jié)即可；后者常由專用IC實現(xiàn)。BP9021A是一款采用原邊反饋的LED專用恒流驅動芯片，適用于85～265 Vac全范圍輸入電壓、功率3 W以下的反激式隔離電源，芯片內置17 V穩(wěn)壓管、650 V功率管、峰值檢測、前沿消隱與PWM恒流控制模塊。LED開路電壓通過外部電阻設定，無需次級反饋電路，無需光耦及TL431反饋，無需輔助繞組供電和檢測，也無需補償電路，只需要極少的外圍元件即可實現(xiàn)優(yōu)異的恒流特性，實現(xiàn)了高精度的LED恒流輸出和優(yōu)異的電流調整率。BP9021A內部集成多重保護功能。

工作原理 圖3是基于BP9021A設計的市電驅動型LED照明電源。系統(tǒng)上電后，母線電壓通過啟動電阻R1對啟動電容C2充電，電壓達到芯片開啟閾值時，芯片內置調節(jié)器開始工作。系統(tǒng)工作于電感電流斷續(xù)方式，市電整流濾波后，電流經原邊繞組Np、芯片內置功率管DRAIN和電流采樣電阻R2，構成輸入回路；當原邊峰值電流超過參考值時，功率管關斷，輸入回路斷開，此時副邊繞組電感放電，副邊繞組Ns、續(xù)流二極管D1和LED負載構成的輸出回路導通工作。

原理圖繪制 Altium Designer是Altium公司推出的一體化電子產品開發(fā)系統(tǒng)，融合原理圖設計、PCB布線、元器件庫編輯等工具，是生產實習提高學生設計開發(fā)能力的理想工具[9-10]。原理圖的設計應簡潔易讀，在確保電路連接正確的情況下提高設計效率，盡量一次完成不返工，先放核心IC，其他元件就近布局（圖3），選用貼片封裝（C1和TI1除外）。同類元件的放置和屬性設置，在懸浮狀態(tài)下用快捷鍵一次搞定。連線交叉或線太長、太密時，靈活運用網絡標號或總線能使原理圖更簡潔。

5 電路板設計

開關電源效率高，噪聲也大，印刷電路板的設計是電子產品滿足EMI規(guī)范的關鍵。從PCB設計原則入手，結合Altium Designer軟件，介紹開關電源電路板設計的過程與技巧，以及批量生產的工藝要求和雙面板制作的關鍵。

圖3 典型應用電路——LED驅動電源

以上電路中高頻變壓器取代了工頻變壓器，大大減少了變壓器和濾波電容體積，其他元件皆用貼片工藝，滿足了LED節(jié)能燈制作的體積和生產工藝要求。使用Altium Designer軟件設計印刷電路板，盡量使用雙層或多層電路板以減少繞線，先將核心IC大致居中，其他元件參考原理圖連接關系，就近擺放完成PCB初始布局，合適條件下同類型元件就近擺放整齊，元件面敷地，減小電流環(huán)路，過孔電感較大，可采用多個過孔并聯(lián)減小環(huán)路電感；發(fā)現(xiàn)元件與封裝不一致時，可直接雙擊焊盤修改網絡連接關系。

開關電源的變換器部分從輸入到輸出盡量排列在一條直線上，盡量靠近，否則敷地后會有捷徑電流，形成大的電流環(huán)路，必要時加入分隔槽消除；調節(jié)器與變換器部分須保持一定距離，遵從IC廠家的PCB設計指南，如旁路電容、ROVP電阻、地線和環(huán)路面積的處理，尤其是開關器件部分（功率管漏極、二極管陰極）需要大面積覆銅輔助散熱。電路板設計完成后添加定位孔和MARK點，分別用于錫膏印刷機的板子固定和自動貼片機的位置識別，這是后續(xù)自動貼片線進行批量生產所必須的。

最終設計應符合EMI規(guī)范和生產工藝要求，兼顧簡潔性和合理性，在此前提下提升觀感和效率。雙面板后期制作的關鍵是頂層和底層的轉印對齊工作，通過Altium Designer軟件的特殊粘貼與翻轉設計，一次將雙層PCB圖案打印在一張紙上（圖4），然后通過熱轉印制作雙面PCB板，最終實現(xiàn)SMT流水線的自動貼片生產。

圖4 電路板設計——LED驅動電源

6 結語

以開關電源為工程案例的生產實習教學改革，提升了設計開發(fā)能力的培養(yǎng)，為高校集中性實踐教學環(huán)節(jié)改革提供了參考案例。此外，完善實習的測試環(huán)節(jié)，使學生深入了解LED驅動電源的關鍵指標，探索校企合作，使學生了解各類LED驅動IC設計及其典型應用，探索現(xiàn)代工程教育理念下的實習教學改革，從而培養(yǎng)出更適合業(yè)界需求的工程人才，為建設創(chuàng)新型國家做出更大貢獻?！?/p>

[1]李磊.電子信息類專業(yè)生產實習現(xiàn)狀及對策研究[J].教育教學論壇,2014(1):225-226.

[2]張顯,曹全喜.生產實習模式的探索與實踐[J].實驗科學與技術,2011(2):151-154.

[3]曹海平,管圖華.基于CDIO理念的電工電子實訓教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2013(1):140-142.

[4]高林.以工程應用能力為主導 提高工程教育人才培養(yǎng)質量[J].中國大學教學,2013(1):27-29.

[5]徐列群,楊武,肖煌兵.基于反激變壓器的LED恒流電源設計[J].中國照明電器,2013(3):5-9.

[6]馬場清太郎.電源電路設計技巧[M].丁志強,譯.北京:科學出版社,2013:163-252.

[7]陳洋,段哲民,郭龍.反激式變換器拓撲的LED電源設計[J].電子設計工程,2014(2):95-97.

[8]黃登科,劉拓夫,王正仕.原邊控制反激式LED驅動電源的研究[J].機電工程,2013(7):866-869.

[9]叢秋波.Altium：一體化電子產品開發(fā)平臺支持工程師創(chuàng)新設計[J].電子設計技術,2008(9):38-39.

[10]牛耀國,朱朝霞,芮新芳.Altium Designer軟件在印刷電路板設計中的應用[J].電子科技,2011(8):128-130.