直流開關電源的優化設計

航天科工慣性技術有限公司 趙振江 王 燁 靳本豪 胡立慶

1 開關電源設計優化

1.1 開關電源的基本組成

直流開關電源的基本組成如圖1所示。功率的變換主要是通過電子開關和高頻變壓器來完成，把直流的輸入電壓變成受控制的、符合設計要求的高頻方波電壓。高頻方波電壓再經過整流濾波后變成符合要求的直流輸出電壓。直流輸出電壓經過采樣，通過反饋控制電路生成具有一定占空比的高頻脈沖信號，調節其占空比就可以調節輸出電壓，從而得到穩定輸出電壓。

目前，所用開關電源基本能滿足用戶要求，但是也存在一些不足：變壓器漏感大，電磁干擾較大，對用戶設備可能有影響；整流二極管導通壓降大，損耗大。承受反向電壓大，對其有一定破壞性；輸出濾波采用鉭電容，承受較大沖擊電流和紋波電壓。ESR較大，溫升高，損耗大；電源的散熱性能較差，容易導致局部溫升過高而損壞器件；電磁兼容性差。針對目前直流開關電源存在不足，本文主要從開關電源主要器件選型和參數以及工藝方面進行優化。

1.2 變壓器優化

在開關電源中，變壓器主要起電氣隔離、能量傳輸的作用，是能量變換的核心器件。開關電源變壓器的設計考慮的因素很多，比如磁芯材料特性、工作頻率的影響、輸送功率大小、導線趨膚效應、散熱條件等[1]。本文主要從磁材、磁芯結構、參數設計等方面進行了分析。

磁材選型：在高頻反激開關電源中，可供選擇的磁材有PC40、PC44、PC50、PC95等，其中PC50在高頻300kHz時損耗明顯增加，不適合高頻應用，而PC95的磁材價格昂貴，當前在小功率磁芯方面未有批量化生產，采購成本高、周期長，因此在PC40和PC44間進行優化選擇，對于磁材的選擇主要關注最大BMAX、磁芯損耗以及溫度穩定性等三個方面。通過參數對比，PC44磁材在高頻磁芯損耗略優于PC40磁材，而在溫度穩定性方面遠優于PC40，高溫穩定性有利于變壓器穩定功率輸出，提高可靠性，因此將磁材優化選擇為PC44型。

磁芯結構選擇和參數優化：罐型磁芯多適用于小功率、對電磁特性要求較高的場合，具有電磁特性好、窗口面積大的特點，因此可用罐形磁芯代替普通磁芯。在罐型變壓器設計過程中，由于罐型磁芯散熱特性較差，但考慮到可利用的窗口面積變大，因此盡可能地降低銅損和鐵損，主要措施有：增加漆包線線徑，降低鐵損；提高原邊感量，降低銅損。

1.3 功率二極管的優化

功率二極管的選型優化。基于單端反激拓撲特點，在原邊主功率器件關斷時，副邊整流二極管處于開通狀態，流經二極管的電流包含兩部分，一部分為輸出提供功率電流，一部分給電容提供充電電流，以12W/5V模塊為例，輸出平均電流為Io=2.4A，在二極管上的平均導通損耗為：P=UI，其中U為二極管導通壓降，在二極管上造成的損耗較為可觀。為提高效率，降低發熱量，可以選擇壓降更低的二極管。例如，VISHAY的12CWQ10FN肖特基整流二極管和MBRD835L肖特基二極管，相同工作條件下，DATASHEET提供管壓降分別為0.65V和0.41V，因此在滿足電壓、電流裕量條件下選擇MBRD835L作為整流二極管。

吸收電路。在5V輸出條件下整流二極管所承受的最大反壓為20V，為兼容在更大電流條件下使用低反向壓降的二極管，需要考慮二極管在關斷過程反向恢復電流造成的電壓尖峰，該尖峰電壓具有破壞性，需采用緩沖電路來進行吸收[2]。考慮到吸收電路特點，選用原理簡單的RC作為阻尼吸收。RC吸收電路工作原理，一是與二極管并聯，根據分壓原理降低二極管等效電阻，二是吸收二極管等效電路的高頻振蕩；吸收電路通常是一定范圍內，電容越大，等效電阻越小，同時二極管端電壓越不容易引起突變，則吸收效果越明顯，但是阻容上消耗的功率也就越多，實際電路只能選取可以接受的折中參數。

1.4 濾波電容選型優化

基于單端反激拓撲結構的電源電路，其輸出整流濾波通常采用CLC的濾波電路結構。原標準單元設計C1和C2均采用鉭電容，其中L前的電容C1承受較大的電流沖擊并生成較大的電壓紋波。在高頻開關條件下，鉭電容的充放電特性較差，而瓷介電容具有幾乎理想的充放電特性，并可忽略自身發熱。首先排除未曾使用的CAK55高分子鉭電容，該類型電容國內目前并未大范圍使用，而CAK45L和CAK45U進行對比，可基本確定選用CAK45U型鉭電容，而瓷介電容在高頻濾波中作用不可或缺。

選擇不同規格的瓷介電容與C1并聯，可以提高整流管后端對高頻電流的吸收能力。而單獨采用瓷介電容時，需要選擇較大容量的電容，且需要在控制電路上進行更改，并需要提高濾波電感L1的裕量，增加體積，因此綜合對比，選擇鉭電解電容和瓷介電容配合使用的方案比較經濟且可以提高可靠性。

2 開關電源工藝優化

2.1 印制板設計優化

元器件封裝優化。為滿足工藝要求，元器件封裝均采用符合國軍標等級的標準器件封裝，焊盤、過孔、間距、敷銅等符合相應的設計規范。

印制板設計優化。在印制板設計過程中，為提高功率器件和熱敏感器件的可靠性，在敷銅、散熱導孔、熱絕緣等方面作了針對性設計，主要措施如下：原、副邊分區域設計，確保原、副邊通過印制板寄生電容耦合干擾最小；散熱導孔設計，在功率器件主MOSFET和副邊整流二極管焊盤下增加導熱孔，并在另一面對應處增加導熱敷銅[3]；增加內層散熱敷銅，敷銅中按照輸入地、輸出地進行隔離分布；電容與發熱器件間增加熱隔離區域，輸入輸出引針處采用花盤設計，提高管腳的可焊性；在印制板設計時，需要保證在整機裝配時的印制板的過錫度，并同時適當增加焊接面焊盤面積，提高可靠性。

2.2 散熱工藝優化

溫度是影響開關電源可靠性最重要的因素之一。熱設計的原則，一是減少損耗，正確選擇器件參數（電流、電壓定額。導通電阻以及開關特性）和磁性元件設計，在上文已經進行了論述。另外，選用低功耗的器件、減少發熱器件數量，加寬加粗印制線，提高電源效率。二是加強散熱，即利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉移。利用風冷、液冷（水、油）、散熱器、熱管等方法進行散熱是在更高一級系統中采取的措施，這里只討論電源本身的散熱方法。

導熱膠的選用。小功率開關電源由于散熱方式限制，只能通過局部的傳導散熱，將局部熱量通過導熱介質傳遞到其他部位，利用導熱膠進行散熱是一種較好的方式。導熱膠的選型就顯得尤為重要。導熱膠的選用需綜合考慮其導熱系數、硬度、膨脹率、穩定性、存儲時間等因素，并且對其常溫固化時間有一定要求，不能低于4h，方便在灌封流程中多次少量灌膠。

熱性能測試。為了驗證電源模塊散熱性能，對現有5W電源模塊進行試驗。通過性能測試，同一模塊單元在灌膠前后轉換效率不變，表明前后發熱量相同，而采用導熱膠以及封殼后，相當于增加了模塊的熱容，在相同的密閉散熱條件下，從理論上分析，灌封模塊平均溫度和局部熱點溫度均應降低。灌封前由于電源板與外殼僅通過引針進行接觸，此時會有較少的熱量通過傳導至金屬殼，灌封前試驗時金屬殼溫升小，可以認為此時為裸板散熱。利用熱成像儀對電源灌封前后進行了溫度對比，效果如圖2至圖3所示。

灌封后的溫度在三個溫度值附近均有降低，并且最高溫度有較大幅度地降低，符合理論分析。灌膠和金屬殼在散熱方面主要作用就是將局部熱源平均分布到整板部位，降低了主要熱源溫度，提高了可靠性。

3 開關電源電磁兼容優化

電磁兼容性設計的主要內容有三個方面：一個是采用各種方法盡可能的抑制電磁干擾的產生，比如抑制振蕩頻率等；二是提高抗干擾能力；三是切斷、消除或削弱耦合途徑。合理的設計電源系統的結構、布局和布線，對改善EMC起著決定性的作用。

3.1 電源系統結構布局

在電源的組成電路中，有許多不同的電路單元，如開關主電路、控制單元、保護單元等。這些單元如果布局不合理，會影響電源系統內電磁兼容性及系統整體抗干擾能力。將不同功能的電路放在不同的屏蔽腔內，布局比較理想。分區布局的原則為：開關電源與數字電路、模擬電路分區；弱信號單元與強信號單元分區；數字單元與模擬單元分區；電路性質差異大的單元分區；開關電源的主功率部分和控制信號部分盡可能分開。

3.2 電磁屏蔽

對于一個已經完成的電源，為了減小其對外部影響，需要對其進行電磁屏蔽。對現有的電源模塊進行封殼處理，可使其對外干擾大大降低。對5W模塊的封殼前后輻射值進行測量，殼體為高等級外殼，測試頻段為0～10MHz，探頭距離模塊分別為1cm，結果如圖4至圖6所示。

圖4 5W模塊無殼測試（電路板裸露，1cm）

通過圖4、圖5對比可以看出，封殼之后的輻射值在各個頻段較封殼之前較大幅度衰減。圖6為使用工業等級殼體的電源模塊封殼后測試結果。與圖5相比，屏蔽效果不理想。通過上面對模塊封殼前后在各頻段的輻射量對比，采用高等級模塊外殼的屏蔽效果較好。同時，對工業級外殼封殼模塊進行測試，工業級模塊與高等級模塊在輻射方面主要差異為，模塊屏蔽效果和變壓器屏蔽效果不同，因此基于罐型變壓器和高等級外殼的電源模塊在輻射電磁兼容方面有優異表現。

圖5 5W模塊封殼測試（1cm）

圖6 5W模塊工業等級外殼封殼后測試（1cm）

綜上所述，本文針對開關電源中影響較大的幾個方面進行了優化設計，可進一步提高開關電源的性能和可靠性。