牛人解答电源研发问题汇总 不来你就亏了!

问题二

LLC中为什么我们常在二区设计开关频率？一区和三区为什么不可以？有哪些因素制约呢？或者如果选取一区和三区作为开关频率会有什么后果呢？

LLC的原理是利用感性负载随开关频率的增大而感抗增大，来进行调节输出电压的，也就是PFM调制。并且MOS管开通损耗ZVS比ZCS小，一区是容性负载区，自然不可取。那么三区，开关频率大于谐振频率，这个仍是感性负载区，按道理MOS实现ZVS没有问题，确实如此。但是我们不能忽略副边的输出二极管关断。也就是原边MOS管关断时，谐振电流并没有减小到和励磁电流相等，实现副边整流二极管软关断。这也是我们通常也不选择三区的原因。

我们不能只按前人的经验去设计，而要知道只所以这样设计是有其必然的道理的！

浅显易懂。

问题三

当我们反激的占空比大于50%会带来什么？好的方面有哪些？不好的方面有哪些？
反激的占空比大于50%意味着什么，占空比影响哪些因素?第一:占空比设计过大，首先带来的是匝比增大，主MOS管的应力必然提高。一般反激选取600V或650V以下的MOS管，成本考虑。占空比过大势必承受不起。

第二点：很重要的是很多人知道，需要斜坡补偿，否则环路震荡。不过这也是有条件的，右平面零点的产生需要工作在CCM模式下，如果设计在DCM模式下也就不存在这一问题了。这也是小功率为什么设计在DCM模式下的其中一个原因。当然我们设计足够好的环路补偿也能克服这一问题。

当然在特殊情形下也需要将占空比设计在大于50%，单位周期内传递的能量增加，可以减小开关频率，达到提升效率的目的，如果反激为了效率做高，可以考虑这一方法。

问题四

反激电源如果要做到一定的效率，需要从哪些方面着手？准谐振？同步整流？
反激的一大劣势就是效率问题，改善效率有哪些途径可以思考的呢？减小损耗是必然的，损耗的点有开关管，变压器，输出整流管，这是主要的三个部分。

开关管我们知道反激主要是PWM调制的硬开关居多，开关损耗是我们的一大难点，好在软开关的出现看到了希望。反激无法向LLC那样做到全谐振，那只能朝准谐振去发展（部分时间段谐振），这样的IC也有很多问世，我司用的较多是NCP1207，通过在MOS管关断后，下一次开通前1脚检测VCC电压过零后，然后在一个设定时间后开通下一周期。

变压器的损耗如何做到最小，完美使用的变压器后面问题会涉及到。

同步整流一般在输出大电流情况下，副边整流流二极管，哪怕用肖特基损耗依然会很大，这时候采用同步整流MOS替代肖特基二极管。有些人会说这样成本高不如用LLC，或者正激呢，当然没有最好的，只有更合适的。

问题五
电源的传导是怎么形成的？传导的途径有哪些？常用的手段？电源的辐射受哪些东西影响？怎么做大功率的EMC。
电源传导测量方式是通过接收输入端口L,N,PE来自电源内部的高频干扰（一般150K到30M）。

解决传导必须弄清楚通过哪些途径减弱端口接收到的干扰。

如图：一般有二种模式：L,N差模成分，以及通过PE地回路的共模成分。有些频率是差共模均有。

通过滤波的方式：一般采用二级共模搭配Y电容来滤去，选择的方式技巧也很重要，布板影响也很大。一般靠近端口放置低U电感，最好是镍锌材质，专门针对高频，绕线方式采用双线并绕，减少差模成分。后级一般放置感量较大，在4MH到10MH附近，只是经验值，具体需要与Y电容搭配。X电容滤差模也需要靠近端口，一般放在二级共模中间。放置Y电容，电容布板时走线需要加粗，不可外挂，否则效果很差。（这些只是输入滤波网络上做文章）

当然也可以从源头上下手，传导是辐射耦合到线路中的结果，减弱了开关辐射也能对传导带来好处。影响辐射的几处一般有MOS管开通速度，整流管导通关断，变压器，以及PFC电感等等。这些电路上的设计需要与其他方面折中不做详述。

一些经验技巧：针对大功率的EMC一般需要增加屏蔽，立竿见影，屏蔽的部位一般有几处选择：

第一：输入EMI电路与开关管间屏蔽，这对EMC有很大的作用，很多靠滤波器无效的采用该方法一般很有效果。

第二：变压器初次级屏蔽，一般设计变压器若有空间最好加上屏蔽。

第三：散热器的位置能很好充当屏蔽，合理布板利用，散热器接地选择也很重要。

第四：判断辐射源头位置，一般有几个简单的方法，不一定完全准确，可以参考，输入线套磁环若对EMC有好处，一般是原边MOS管，输出线套磁环若对EMC有效果，一般是副边输出整流管，尤其是大于100M的高频。可以考虑在输出加电容或者共模电感。

当然还有很多其他的细节技巧，尤其是布板环路方面的，后面对LAYOUT会单独讲解。

问题六
我们选择拓扑时需要考虑哪些方面的因素？各种拓扑使用环境及优缺点？
设计电源的第一步不知道大家会想到什么呢?我是这么想，细致研究客户的技术指标要求，转换为电源的规格书，与客户沟通指标，不同的指标意味着设计难度和成本，也是对我提出的问题有很大的影响，选择拓扑时根据我们的电源指标结合成本来考虑的，哪常用的几种拓扑特点在哪呢 ？

这里主要谈隔离式，非隔离式应用有限，当然也是成本最低的。

反激特点：适用在小于150W，理论这么说，实际大于75W就很少用，不谈很特殊的情况。反激的有点成本低，调试容易（相对于半桥，全桥），主要是磁芯单向励磁，功率由局限性，效率也不高，主要是硬开关，漏感大等等原因。全电压范围（85V-264V）效率一般在80%以下，单电压达到80%很容易。

正激特点：功率适中，可做中小功率，功率一般在200W以下，当然可以做很大功率，只是不常常这么做，原因是正激和反激一样单向励磁，做大功率磁芯体积要求大，当然采用2个变压器串并联的也有，注意只谈一般情形，不误导新人。正激有点，成本适中，当然比反激高，优点效率比反激高，尤其采用有源箝位做原边吸收，将漏感能量重新利用。

半桥：目前比较火的是LLC谐振半桥，中小功率，大功率通吃型。（一般大于100W小于3KW）。特点成本比反激正激高，因为多用了1个MOS管（双向励磁）和1个整流管，控制IC也贵，环路设计业复杂（一般采用运放，尤其还要做电流环）。优点:采用软开关，EMC好，效率极高，比正激高，我做过960W LLC,效率可达96%以上（全电压）（当然PFC是采用无桥方式）。其它半桥我不推荐，至少我不会去用，比较老的不对称桥，很难做到软开关，LLC成熟以前用的多，现在很少用，至少艾默生等大公司都倾向于LLC，跟着主流走一般都不会错。

全桥：一般用在大于2KW以上，首推移相全桥，特点，双向励磁，MOS管应力小，比LLC应力小一半，大功率尤其输入电压较高时，一般用移相全桥，输入电压低用LLC。成本特别高，比LLC还多用2个MOS。这还不是首要的，主要是驱动复杂，一般的IC驱动能力都达不到，要将驱动放大，采用隔离变压器驱动，这里才是成本高的另一方面。

推挽：应用在大功率，尤其是输入电压低的大功率场合，特点电压应力高，当然电流应力小，大功率用全桥还是推挽一般看输入电压。变压器多一个绕组，管子应力要求高，当然常提到的磁偏磁也需要克服。这个我真没用过，没涉及电力电源，很难用到它的时候。

问题七
考虑电源成本时，我们要从哪里下手呢？
设计电源，成本评估必不可少，目前客户将电源的成本压得很低，各大竞争对手无不都在打价格战，大家都能做出电源来，就看谁做得更便宜，才能赢得订单，从哪些方面入手有利于我们陈本呢：

第一：技术指标。电源技术指标越高，成本越高，如果你的电源成本高了，那你可以打你的性能指标卖点，多了性能要求，电路增多了成本自然高。也是和客户谈话的资本。

第二：物料采购成本，为什么大公司电源利润高？无非是他们有着优越的采购平台，采购量大，物料成本低，当然成本更低。如果不考虑采购，作为工程师必须弄清楚不同物料对应的成本，比如能用贴片，少用插件，（比如插件电阻比贴片成本高），能用国产，不用台资，能用台资不用日系，这里的价格差异不菲。（比如日系电容比国产电容价格高几倍不止！！！当然质量也有差异；）

第三：影响成本的重要器件：变压器，电感，MOS管，电容，光耦，二极管及其他半导体器件，IC等。  不同的变压器厂家绕出来的变压器价格差异很大，MOS管应力，热阻选择够用就行，IC方案的成本等等

其它方面导致成本问题：器件散热器，大小合适，多了就是浪费钱。PCB布板，能用单面板用成双面板就是浪费钱，PCB布板工艺，选择合理的工艺加工成本低，生产效率高。

问题八
电源的环路设计，电源哪些部分影响电源的环路？好的环路有哪些指标决定？
电源的环路设计一直是一个难点，为什么这么说，因为主要影响的因素太多，理论计算很难做到准确，仿真也是基于理想化模型，在这里只谈关于环路设计的一些影响因素，从定性的角度去理解环路以及怎么去做环路补偿。

环路是基于输入输出波动时，需要通过反馈，环路相应告知控制IC去调节，维持输出的稳定。电源环路一般都是串联负反馈，有的是电压串联负反馈（CC模式下），有的是电流串联负反馈（CV模式下）。

那有哪些地方会影响环路呢？电路中的零点以及极点。零点一般会导致增益上升，引起90度相移（右半平面零点会引起-90度相移）。极点一般会导致增益下降，引起-90度相移，左半平面极点会引起系统震荡。所以我们需要借助零点极点补偿手段去合理调控我们的环路。对于低频部分，为了满足足够增益一般引入零点补偿，对于高频干扰一般引入极点补偿去抵消，减少高频干扰。

环路稳定的原则是：1.在穿越频率处（即增益为零dB时的频率），系统的相位余量大于45度。

2.在相位达到-180度时增益的余量大于-12dB.3.避免过快的进入穿越频率，在进入穿越频率附近的曲线斜率为-1.

针对一般反激电路：1.产生零点的有输出滤波电容 ：可以使环路增益上升。(一般在中频4K左右，对增益有好处，无需补偿）

2.若工作在CCM模式下还会产生右半平面零点。在高频段，可采用极点补偿。这个一般很难补偿，尽量避免，让穿越频率小于右半平面零点频率（15K左右，随负载变化会变化），选取3.负载会产生低频极点。采用低频零点去补偿。4.LC滤波器会产生低频极点，需要采用零点补偿。在心中要清楚哪些零极点是利是弊，针对性补偿。

补偿的电路，针对电源环路来说比较简单，一般采用对运放采用2型补偿，也有的会采用3型补偿很少用。

问题九
对各种拓扑的软开关形式有哪些？软开关是如何实现的？
软开关目前使用很频繁，一来可以提升次效率，二来可以利于EMC。很多拓扑都开始利用软开关了，就连反激如果为了做高效率也引入了准谐振来实现软开关，这个在前面问题已讲过。LLC的软开关在前面问题也提过实现条件，具体实现过程没有细讲。这里就分享下我对软开关的理解。

实现条件及过程：利用软开关需要二个元素，一个是C一个是L来实现谐振（当然也可以多谐振形式），谐振会产生正弦波，正弦波就能实现过零。如果是串联谐振属于电压谐振，并联谐振属于电流谐振。

其次软开关和硬开关的差异是：硬开关过程中电压电流有重叠，软开关要么电流为零（ZCS）要么电压为零（ZVS）。MOS管的软开关可以利用结电容或者并电容，然后串电感实现串联ZVS，例如准谐振反激，有源箝位吸收电路，移向全桥的软开关。也有LC并联ZCS，不过用的很少，因为MOS管ZVS的损耗小于ZCS。LLC属于串并联式，不过我们利用的是ZVS区。（在死区的时候谐振电流过零，上管软开通前，先给下管结电容充电,上管实现软开通）


问题十
什么样的变压器才算是最完美适用的？变压器决定了什么，影响了什么?
设计变压器是各种拓扑的核心点之一，变压器设计的好坏，影响电源的方方面面，有的无法工作，有的效率不高，有的EMC难做，有的温升高，有的极限情况会饱和，有的安规过不了，需要综合各方面的因素来设计变压器。

设计变压器从哪里入手呢？一般来说根据功率来选择磁芯大小，有经验的可参考自己设计过的，没经验的只能按照AP算法去算，当然还要留有一定的余量，最后实验去检验设计的好坏。

一般小功率反激推荐的用的比较多EE型，EF型，EI型，ER型，中大功率PQ的用的比较多，这里面也有每个人的习惯以及不同公司的平台差异，功率很大的，没有适合的磁芯，可以二个变压器原边串副边并的方式来做。

不同拓扑对变压器的要求也不一样，比如反激，需要考虑的是需要工作在什么模式下，感量如何调节适中。尤其是多路输出一定要注意负载调整率满足需求，耦合的效果要好，比如采用并绕，均匀绕制，以及副边匝数尽可能增多。MOS管耐压决定匝比，怎么选取合适的占空比，选取多大的Bmax(一般小于0.35，当然0.3更好，即时短路也不会饱和太严重）有的还需要增加屏蔽来整改EMC，原副边屏蔽一般加2层，外屏蔽1层就好。

大功率变压器一般更多的是关注损耗，需要铜损和磁损达到平衡，还要考虑到风冷自然冷，电流密度多大合适，功率稍大（大于150W）的一般电流密度相对取小些（3.5-4.5），功率小的（5.0-7.0）。

还要清楚电源过的什么安规，挡墙是不是足够，层间胶带是否设置合理也是不可以忽视的，一旦要做认证去改变压器也是影响进度的。

问题十一
我们真的需要到迷恋设计工具，依赖仿真的地步吗？
电源的设计工具主要用在以下几个方面：1.选择磁芯及设计变压器 2.环路仿真设计 3.主功率拓扑仿真4.模拟电路仿真 5.热仿真（针对大功率）6.计算工具（计算书） 等等。

对于新人来说，我给的建议少用工具，多计算，自己把握设计的过程，因为工具是人做的，不同人的设计习惯差异，不能用一个固定的设计模式来设计不同的电源。

有些仿真可以与设计相结合：比如环路设计好后是很难直接满足设计需求的，仿真可以在试验前很好验证，但仿真也不是完全和试验一样，至少不会差太远。

熟练运用Mathcad和Saber也是必要的，只是很多我们需要弄清原理的层面，把工具只需要当做计算器来使用，更快速方便更高效来满足我们设计就好，想纯依赖工具来设计电源，无疑是走入极大误区。

问题十二
评判一块电源板LAYOUT好坏有哪些地方能一阵见血发现？
什么样的PCB是一块好的PCB，至少要满足以下一个方面：1.电性能方面干扰小，关键信号线及底线走的合理，各方面性能稳定（前提是电路无缺陷）。2.利于EMC，辐射低，环路走的合理。3.满足安规，安规距离满足要求。4.满足工艺，量产可生产性，以及减小生产成本。5.美观，布局规则有序（器件不东倒西歪），走线漂亮美观，不七弯八绕的。

如何才能做到以上几点，分享我的布板经验：

1.布局前，了解清楚电源的规格书，电源的规格，有无特殊要求，以及要过的安规标准。

结构输入条件是不是准确，以及风道的确认，输入输出端口的确认，以及主功率流向。

工艺路线选取，根据器件的密度，以及有无特殊器件，选择相对应工艺路线。

2.布局中，注意合理的布局，保证四大环路尽可能小，提前预判后续走线是否好走。变压器的摆放基本决定了整体的布局，一定要慎重，放到最佳位置。EMI部分的布局流向清晰，与其它主功率部分有清晰的隔离带。减少受到主功率开关器件的干扰。各吸收回路的面积尽可能小，散热器的长度以及位置要合理，不挡风道。

3.走线部分，输入EMI电路的走线是否满足安规，原副边距离，输入输出对大地的距离都要满足安规。走线的粗细是否满足足够的电流大小，关键信号（例如驱动信号，采样信号，地线是否合理），驱动信号不要干扰敏感信号（高频信号）；采样信号是否采样准确，是否会受到干扰；地线是否拉得合理（有时需要单点接地，有时需要多点接地跟实际需要有关），主功率地和信号地严格区分开，原边芯片地从采样电阻取，不要从大电解取（尤其是采样电阻和大电解地距离远时），VCC的地前级地回大电解，二级电容地接芯片，反馈信号也单点接IC，地单点接IC。散热器的地必须接主功率地，不能接信号地等等很多的细节要求。

问题十三
电源的元器件你懂多少？MOS管结电容多大，对哪些有影响？RDS跟温度是什么关系？肖特基反向恢复电流影响什么？电容的ESR会带来哪些影响？
电源中的设计的器件类型很多，主要有半导体器件如：MOS管，三极管，IC，运放，二极管，光耦等；磁性器件：电感，变压器，磁珠等；电容：Y电容，X电容，瓷片电容，电解电容，贴片电容等；每种器件都有其规格，极限参数。

常 规的参数在我们选型很容易把握，例如选取MOS管，耐压参数肯定会考虑，额定电流也会考虑，导通电阻我们会考虑，但还有一些寄生参数以及一些随温度变化特 性的参数却很少去注意，或者只有在发现问题的时候才会去找。导通电阻Rds(on)随温度升高其阻值是变大的，设计MOS管损耗时要考虑到其工作的环境温 度。结电容影响到我们的开通损耗，也会影响到EMC。

肖特基二极管耐压，额定电流一般很好注意，有些参数例如导通压降在温度升高时会减小，反向恢复时间短，不过漏电流大（尤其是考虑到高温时漏电流影响就更大了），寄生电感会引起关断尖峰很高。

电容一个重要参数ESR，在计算纹波时通常会考虑，ESR一般与C的关联是很大的，不过不同厂家的品质因素影响也是很巨大，一定要具体分清楚。

一般估算公司可参考：ESR=10/（C的0.73次方），电容在高温时寿命会缩短，低温时容量会减小，漏电流也会增加等等；

当然器件在特殊情形表现出来的特性差异是值得我们思考的问题，请大家多多思量，对于我们解决特殊情况下的问题非常有帮助。

问题十四
你对磁性材料了解多少，磁环和磁芯有哪些差异？低磁环和高磁环用在什么情况？
磁 性器件对开关电源的重要性不言而喻，可以说是电源的心脏部位。 磁性材料的种类也繁多，常用来做变压器的一般是铁氧体材料，主要是价格便宜，开关频率最大 能做到1000K，够一般情况下使用了。铁氧体磁芯既可以做主变压器也可以做电感，如PFC电感（一般铁硅铝材质居多，性价比高），储能电感也可以。当然 在要求高的情况下，尤其是大功率一般用磁环，主要是感量可以做大，不易饱和，相对铁氧体磁芯来说，不过缺点是价格贵，尤其是大电流，绕制工艺较困难。磁环 也分高U值和低U值，主要也是磁环的材料不同照成，高U环磁环外观是绿色，一般EMI电路的共模电感选用，感量会相对较大滤低频，颜色偏灰的是低U环，感 量很低，滤高频。一般为了EMC都是搭配使用效果一般都比较好！

我也想知道这些问题。特意买了本开关电源设计第三版。看了也没得过所以然。

问题十五
电源损耗是怎么分布的？MOS管损耗？变压器损耗？变压器除了直流损耗，还有交流损耗怎么算的？
电源损耗一般集中在以下一些方面：1.MOS管的开通损耗及导通损耗。2.变压器的铜损和铁损；3.副边整流管的损耗；4.桥式整流的损耗。5.采样电阻损耗；6.吸收电路的损耗；7.其它损耗：PFC电感损耗，LLC的谐振电感损耗，同步整流的MOS管损耗。等等。。。

针对这些损耗，适当的减小可以提升效率。1.针对MOS管可选用开关速度快的，导通电阻低的，电路上课采用软开关。2.针对变压器：选择合适大小的磁芯，磁 芯太小损耗会大，很难做到铜损和铁损平衡。尤其是铜损不仅有直流损耗还有交流损耗，交流损耗一般比直流损耗还大2倍，因为铜线在高频下的交流阻抗比直流阻 抗大的多，计算时一定要充分估算进去。

问题十六
电源中的热设计，散热器是怎么选择的？散热器设计需要考虑什么？
散热器的设计是开关电源的一个重点，散热器主要是针对我们的发热器件温升过高，需要采用散热器来降低热阻来达到降低温升的作用！

主要发热器件：整流桥，MOS管，整流二极管，变压器，电感等等。

散热器的大小选择一般根据损耗的功率，需要的温升来计算热阻，根据热阻来选择相应面积的散热器 。

当然也需要一些辅助的方式，比如在器件和散热片间涂散热膏，有会有些效果。比较小的空间可采用型材散热，体积小，散热面积大。

特殊器件有特殊的处理：如变压器可将变压器底下的PCB板挖空散热，也可以在变压器上用导热泥贴散热片的方式。电感也可以加铜环散热等等。。。

问题十七
LLC的输出滤波电容怎么决定的？受哪些因素影响？
输 出滤波电容对输出纹波至关重要，选择合适的滤波电容需要从成本及纹波需求考虑，当然对每种拓扑滤波电容的选取都是按照输出纹波需求，纹波电流所对应的 ESR值来选取对应的电容，当然电容的容量与ESR的关系跟电容的品质也有着很重要的关系，之前已经讨论过其关系式。纹波电压时我们的需求，一般按照 50mv的需求的话，设计留有余量一般选择10mv。（考虑到PCB板滤波效果，电容低温容值降低），纹波电流计算式如下：

问题十八
移相全桥的驱动是什么实现的？何为移相？移相带来什么？
移相全桥目前在中大功率使用中，也是用的很火，受欢迎程度仅次于LLC谐振半桥。之前已经比较过不同拓扑的使用情况，这里就专门介绍下移相全桥的特点。

移相全桥特点一：驱动比较复杂，导致控制电路复杂，成本很高，原因是移相全桥一般有4个MOS，对驱动能力要求很高，一般IC很难做到，需要对驱动能力通过外置MOS管放大使用，又为了加强可靠性一般采用隔离变压器来驱动MOS管。

移 相全桥特点二：移相，为什么要移相，移相带来什么，跟普通全桥有什么区别。移相针对的是同一组的MOS管，让2个MOS管依次导通，可以降低开关损耗。超 前臂桥实现ZVS同时，副边处于续流，原边电流被二极管分担，MOS管电流也很小，近似零电流导通，滞后臂桥可以零电压导通。

移相全桥特点三：工作过程复杂，二个输出功率状态（靠原边提供能量），二个续流状态（靠副边电感及电容提供供能量），四个死区（来分别实现每个MOS管软开通I）

只是为了给新手了解移相全桥，作为开关电源比较重要的拓扑一部分，它的重点和难点在哪里。

问题十九
大功率若追求效率，无桥PFC是怎么实现的？原理是什么？
很 多人都听说过无桥PFC，不过真正使用起来并不很常见，原因是无桥PFC相比普通有桥PFC效率上固然有提升，一般也就在1-2%，若不是追求高效，一般 都不会使用，成本太高。根据无桥PFC的特点，其实整流桥并没有真正省去不用，只是当做交流输入正负半轴的隔离使用，简单来说相当于普通二个PFC，交流 正负半轴各一个，相应的PFC电感也会增加一个，MOS管也会增加一个，驱动IC也会复杂一些，对于大功率为了做高效，检测电阻用变压器绕组来做，可以减 小损耗。之前接触过一个960W用无桥PFC+LLC效率达到96.5%，不过最终因为客户要求输入电压交流和直流都能满足，这时候无桥PFC就不能在直 流下发挥很好的作用就否决了。