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开关电源适配器元件及设计之反激
AUTH: DATE:2019-05-05
 开关电源适配器元件及设计之反激
PCB板的布局在很大程度上决定了电源的性能。PCB板的布局应考虑EMC、安规、散热、可维修性和可生产性等问题。
那么个EMC问题:
开关电源的噪声源主要是功率开关管、整流管。减小噪声的尽量是减小噪声源的环路面积。电路拓扑如果采取单端反激电路,其主要的开关噪声源分为差模和共模。差模存在于两个回路,即输入滤波电解电容→变压器初级绕组→开关管→采样电阻→输入滤波电解电容,变压器次级绕组→输出整流二极管→输出滤波电解电容→变压器次级绕组。这两个回路是功率变换的核心主电路,同时也是差模噪声的主要来源,在布板时应尽可能地保证这两个回路所包围的面积小化。合理地控制噪声源有助于花较小的EMC滤波的代价取得良好的EMC效果。共模噪声主要产生在功率管关断器件,集电极的电压急剧变化,使其与散热器的耦合电容通过位移电流,从而产生共模噪声,或者耦合到变压器副边,再到机壳形成共模噪声。可以在功率管或输出整流管附近加Y电容来减小共模噪声,Y电容接地的铜线尽可能的粗和短。
开关电源的噪声源产生于功率回路,如果功率地和控制地共用地会导致功率电路产生的噪声耦合到控制电路中,不利于抑制噪声,而且也容易引起系统的不稳定。通常功率电路和控制电路应保持一点接地。
PCB的布局对电源的EMI有决定性的影响。电源板的布局要考虑的因素有:功率的流向简洁明了,功率电路应避免迂回交错,回路面积尽可能小,电感、变压器的下方不走线;功率电路与控制电路分别放置,强电信号与弱信号分开,高频信号与其他易干扰电路分开;初级电路和次级电路的分隔明了,保持适当安规距离等等。为了减小电源的EMI,通常都在电源的适当位置放置电感和电容等无源器件进行噪声处理。为了保证电容的滤波效果,在功率回路布线时应使电流尽可能从电容流过,而不能简单地对相同的节点采取铺大面积铜皮的方法。
 
PCB布板的第二个问题:安规问题
一次侧和二次侧的电路分开布局,二者保持一定距离;一次侧和二次侧的隔离带宽度应满足安规要求;器件之间的绝缘距离和爬电距离应符合根据其工作电压查出的安规距离;在对人体有可能造成伤害的地方加上危险标志;变压器的层间加绝缘;采用符合安规的器件等等。
PCB布板的第三个问题:散热、可维修性和可生产性
在布局时考虑发热器件和热敏元件的距离符合工艺要求,功率管的损耗大小决定是否加散热器等等。根据电源模块的散热方式,整体布局有利于散热。同时考虑电源的可维修性,加上适当的测试点,考虑拆卸元件的便利。了解PCB板加工工艺水平,考虑其生产性。
输入侧的个安规元件—保险管的设计和考量:
保险管的作用主要是过流保护,是在电路发生故障情况下,熔断切断电路,避免故障扩大。其原理是:当电流流过保险管时,保险管内金属熔体发热,当电流小于额定电流时,熔体的温度低于熔点;当电流大于额定电流,熔体温度超过熔点而导致融化。
那么基于保险管的以上基本作用,我们在设计的时候需要考量的参数有保险管的额定电压、电流的要求。
额定电压是指其灭弧能力,正常工作时其两端可以认为没有电压的(很小),但如果其被烧断后就有输入电压加在上面,此时保险丝不能跳火,这就是额定电压的概念。
额定电流是指它保证寿命的正常电流。
除此之外,保险丝还有一个参数,I2t,是指引起保险丝融化的能量,但这是一个短时间的概念,不是长时间的,在很短的时间内,如10mS,保险丝的热量是基本上传不出去的,只有在它上面消耗掉,达到I2t的值就会融化。从这个参数看到,时间越短,允许的电流就越大。
保险管的计算方法
 
0.6为不带功率因数校正的功率因数估值,假如有功率因数校正电路此值取0.98左右。
Po输出功率
η 效率(设计的评估值)
Vinmin 小的输入电压
2为经验值,在实际应用中,保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。
工作电压
在坏的情况下以及在故障情况下,保险管熔断后两端电压必须满足下表:
 
应力考核点
产品工作区域
B级产品
A级产品
工作电压
I、II工作区坏情况
<100%额定电压
交流保险管与直流保险管一般不能相互替代,仅当在电压低于直流60V时,一般才可以用125V以上交流保险管。对于带熔断报警的保险管,需要注意其低使用电压。
工作电流
在坏的情况下,工作电流有效值必须满足下表:
 
应力考核点
产品工作区域
B级产品
A级产品
 
工作电流
工作区坏情况
IEC标准<95%额定电流
UL标准<75%额定电流
短时工作区坏情况
IEC标准<105%额定电流
IEC标准<100%额定电流
UL标准<85%额定电流
UL标准<80%额定电流
 
短使工作区是指连续工作时间不大于10min的工作区域,通常应用与对过载能力有时间限制的场合。
当保险管使用的环境高于40度,需要考虑温度对额定电流的影响,进行额外降额。不同类型的保险管降额不同;通常对于慢熔断类型保险管,环境温度每升高10度,需要再降额5%;对于快熔断类型保险管,环境温度升高10度,降额1.5%。
保险管一般不并联使用,在特殊情况下,当保险管并联使用时,考虑到电流的不均匀分布,额定电流需要再有额外的85%的降额。
对于半导体保护用熔断器(SEMICONDUCTOR FUSE,HIGH SPEED FUSE),其额定电流按UL标准的产品进行降额。当温度高于40度,环境温度每升高10度,需要在降额5%;如果熔断器使用的是玻璃纤维管(BIBER TUBE),还需要额外有80%的降额。
对于持续时间小于60S的过载电流,半导体熔断器可以根据产品的时间—电流曲线进行降额,大过载电流应该小于60%It,It是从时间—电流曲线上查得的,过载持续时间t对应的熔断电流。
保险丝有快融,正常,慢融几种形式。虽然额定电流都是10A,但其I2t是不一样的,慢融的在一定时间内允许通过很大的电流,也就是抗浪涌能力强。很明显,开关电源开机瞬间有很大的浪涌电流,过浪涌实验时的浪涌电流更大,一般选慢融的保险丝,我们的开关电源都有过载保护的,当副边短路的时候,瞬间的电流时很大的,开关电源会进入短路保护的状态下,如果选用的是快融的保险丝的话,那么很可能在这瞬间保险丝就烧掉了的,我们知道保险丝是在开关电源损坏的状态下,比如MOS击穿了,为了避免故障的进一步扩大化,这个时候需要去熔断保险丝的,不然又可能会发生火灾的。
那么慢速保险丝是怎样一回事?
慢速保险丝也叫延时保险丝,它的延时特性表现在电路出现非故障脉冲电流时保持完好而能对长时间的过载提供保护。有些电路在开关瞬间的电流大于几倍正常工作电流,尽管这种电流峰值很高,但是它出现的时间很短,我们称它为脉冲电流也有称它为冲击电流或叫它为浪涌电流。普通的保险丝是承受不了这种电流的,这样的电路中若使用的是普通保险丝恐怕就无法正常开机了,若使用更大规格的保险丝,那么当电路过载时又得不到保护。延时保险丝的熔体经特殊加工而成,它具有吸收能量的作用,调整能量吸收量就能使它即可以抗住冲击电流又能对过载提供保护。标准对延时特性都有规定,若标准的规定特性无法满足您的要求,您可以与开关电源制造商联系以得到解决。  

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