消费类电子用开关电源中功率器件设计技巧

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1、消费类电子用开关电源中功率器件设计技巧 叶云燕1．引言为跟随着电子产品更新节奏，设计工程师较倾向于选择在市场上较容易采购得到的AC/DC适配器并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。而图l是一个在消费类电子产品上应用的降压式开关电源原理图(12V输入，3.3V/15A输出)，其SC1104为驱动芯片，Q1与Q2分别为上端与下端场效应功率管(AOD412)。则设计人员需要在此线路图上将功率电路中元器件和控制信号电路中元器件迸行区分。这一类降压式电源的功率器件一般包括输入滤波电容，输出滤波电容，滤波电感，功率场效应管。该电源设计包括功率器件的选择，信号控制器件的选择，保护电路

2、器件的选择，PCB排版和电路调试与优化。而关键又有难度的是功率器件的设计和选择.为此本文将重点对开关电源中功率器件设计技巧作详细讨论。此设计技巧的研讨其前提是要对降压式开关电源基本理念有所了解熟悉,则讨论从这开始。2、降压式开关电源基本理念2.1开关电源与LDO之比较许多电子产品上电源管理应用线性稳压管(LDO)。传统LDO一般只能提供高输出电压和低输出电流。当系统主芯片工作电压变得越来越低而工作电流变得越来越大时，直流开关电源将会大量出现在新一代电子产品系统板上。举例来讲，如果一个系统板上需要一个从3.3V输入电压转换至1.2V输出电压及1A输出电流的直流电源，设计人员在

3、此可以选择LDO或降压式开关电源。如果选用LDO，其功率损耗是2.1W，功率转换效率是36％。如果采用开关电源，其功率损耗只是0.5W，功率转换效率可达85％以上。由此看到，随着新一代电子产品主芯片工作电压进一步下降和芯片工作电流进一步增加，开关电源应用广泛度与时俱迸。2.2降压式开关电源基本结构与状态图2(ab)是降压式开关电源的基本结构图。此电源主要包括功率器件所组成的功率电路和由信号反馈器件所组成的信号电路。开关电源最基本的工作状态在于其内部的功率场效应管(Q1，Q2)工作在高频率的导通和关断状态。如图3所示，场效应管的作用类似一个双相开关在“1端和“2”端之间快速

4、跳动。此双相开关的跳动频率就是开关电源的开关频率。当开关在“1”位置时，电感器(L)二端的电压为：从上式得到电感电流上升斜率：电感电流的纹波值为：其中D(D<1)是所谓的占空比，Ts为开关电源的工作周期。DTs是开关在“1’位置上的导通时间。fs是开关电源工作频率(fs=1／Ts)。当开关在“2”位置时，电感器(L)二端的电压为电感电流下降斜率为：电感电流的纹波值为：其中D'Ts是开关在“2”位置上的导通时间。若将二个ΔIL关系式相等，即可得到占空比与输入和输出电压之间的关系：此公式显示当输入电压上升时，只要将占空比减小就可保持输出电压不变。这也就是开关电源最基本的工作状态

5、，见图2(c)所示。3．功率器件设计降压式开关电源功率器件基本上是由滤波电感(L)，输出滤波电容(COUT)，输入滤波电容(Cin)，以及功率场效应管(Q1，Q2)所组成。在设计电源前需要从用户了解下列需求(按图1电源为例)：输入电压范围,Vin，Vin_MAX，Vin_MIN(12V);输出电,Vout(3.3V);输出纹波电压(峰值至峰值),ΔVout(50mV)；满载输出负载电流,IOUT(15A)；电源效率,η(90％)。3.1电感设计电感值的选择基于输出负载直流瞬态和纹波电压值的要求。大电感值的电感可以减小电感交流纹波电流成分和输出纹波电压，但是在负载瞬变过程中电

6、感电流变化时间会加长。小电感值的电感会有较低的绕线铜损耗，但是磁芯损耗会变大。比较折衷的方法是选择电感纹波电流值(ΔIL)在输出负载电流额定值的20％到40％之间。假定电感交流纹波电流ΔIL为δI0UT，而δ可选择在20％和40％之间。此时电感值应为：以图1的电源为例，Vin=12V，VOUT=3.3V，Iout=15A，δ=33％，fs=300KHz，计算出来的电感值是1.6μH。电感的峰值电流则为(1+δ/2)Iout，RMS值为：图1中电感峰值电流为17.5A。当δ小于或等于40％时，电感RMS电流值近似为Iout。在实际选择电感时，更需要考虑以下几方面：*电感磁芯材

7、料,对于频率高于350KHz高效率开关电源应用，应选用铁氧体，Kool-Mu等合金材料的磁芯。低成本Powder铁磁芯一般可在开关频率低于350KHz的电源中应用。但其磁芯损耗在350KHz时会比较大；*选择电感值,有时计算出来的电感值无法找到现货供,这时设计者可以选择临近或稍大一点电感值的标准电感.图1电源选择了一个额定输出电流下电感值为1.9μH标准电感。通常电感值会随温度和电流的变化而不同。一旦电感值确定，应该马上重新估计该电感的实际纹波电流；*电感饱和电流值,一般情况下，所选用的电感饱和电流的最小值应为电感