使用開關(guān)電源(直流開關(guān)電源)的常見問題

因為經(jīng)常設(shè)計的是射頻或者是低頻的模擬電路,所以設(shè)計中很少用到開關(guān)電源,但是有幾種情況下,必須選用開關(guān)電源,才能滿足系統(tǒng)的性能!

1. 輸入的電源電壓比系統(tǒng)所需要的電壓低,在這種情況下,系統(tǒng)需要升壓芯片來提高輸入電壓,對于這種電路,如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波,或者再采用一級LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。

2. 系統(tǒng)的電壓需要負壓,在這種情況下,系統(tǒng)需要開關(guān)電源把正壓變換為負壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號或者是射頻信號,那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波,或者再采用一級負壓的LDO來降壓,從而達到輸出低紋波的特性。

3.系統(tǒng)的輸入電壓比系統(tǒng)所需要的電壓大很多,并且系統(tǒng)需要的電流很大,此時若使用LDO或者三端穩(wěn)壓芯片,芯片上的功耗會很大,不僅降低了系統(tǒng)的效率,而且給系統(tǒng)的散熱帶來問題。此時可以首先使用開關(guān)電源電壓降低到一個比較合適的電壓,再使用LDO。

在使用的過程中還有一些問題需要注意:

一、最近使用正電到負電的變壓芯片時,發(fā)現(xiàn)輸出的負電壓不足,當(dāng)與負載斷開時,發(fā)現(xiàn)電壓恢復(fù),開始懷疑時后級電路出了問題,但是當(dāng)采用穩(wěn)壓電源供電時,負電壓并沒有限流,而且采用萬用表的電流檔測試時,發(fā)現(xiàn)電流只有50mA,后來發(fā)現(xiàn)當(dāng)我把芯片輸出正電的線路中串連的大電感去掉后,輸出正常。所以在開關(guān)電源中,輸入電壓供電的線路中加入大電感,雖然在一定程度上有隔掉直流分量的作用,但是同樣影響的開關(guān)電源的的正常工作。

二、開關(guān)電源雖然具有很高的效率,但是畢竟不是100%,而且開關(guān)電源芯片的熱阻相對比較小,散熱能力相對差,所以一定要計算系統(tǒng)所需的電壓和電流,從而計算出系統(tǒng)的功耗,然后根據(jù)效率曲線計算出消耗在開關(guān)電源芯片的上功耗。通過熱阻計算芯片的溫度是否超過芯片能承受的溫度。然后留出一定的余量的情況下,選擇芯片。

一、開關(guān)電源維修具體方法
    1、開關(guān)電源維修的時候,我們首先需要利用萬用表檢測一下各功率器件是否存在擊穿短路,例如電源整流橋堆、開關(guān)管、高頻大功率整流管、抑制浪涌電流的大功率電阻是否燒斷等,然后需要再檢測各輸出電壓端口電阻是否異常,如上述器件有損壞的情況我們則需要進行更換新的器件。
    2、我們在完成上述檢測之后,接通電源后如還不能正常工作,接著我們就要檢測功率因數(shù)模塊(PFC)和脈寬調(diào)制組件(PWM),查閱相關(guān)資料,熟悉PFC和PWM模塊每個腳的功能及其模塊正常工作的必備條件。
    3、對于具有PFC電路的電源則需測量濾波電容兩端電壓是否為380VDC左右,如有380VDC左右電壓,說明PFC模塊工作正常,接著檢測PWM組件的工作狀態(tài),測量其電源輸入端VC,參考電壓輸出端VR,啟動控制Vstart/Vcontrol端電壓是否正常,利用220VAC/220VAC隔離變壓器給開關(guān)電源供電,用示波器觀測PWM模塊CT端對地的波形是否為線性良好的鋸齒波或三角形,如TL494 CT端為鋸齒波,F(xiàn)A5310其CT端為三角波。輸出端V0的波形是否為有序的窄脈沖信號。
    4、在開關(guān)電源維修實踐中,有許多開關(guān)電源采用UC38××系列8腳PWM組件,大多數(shù)電源不能工作都是因為電源啟動電阻損壞,或芯片性能下降。當(dāng)R斷路后無VC,PWM組件無法工作,需更換與原來功率阻值相同的電阻。當(dāng)PWM組件啟動電流增加后,可減小R值到PWM組件能正常工作為止。在修一臺GEDR電源時,PWM模塊為UC3843,檢測未發(fā)現(xiàn)其他異常,在R(220K)上并接一個220K的電阻后,PWM組件工作,輸出電壓均正常。有時候由于外圍電路故障,致使VR端5V電壓為0V,PWM組件也不工作,在修柯達8900相機電源時,遇到此情況,把與VR端相連的外電路斷開,VR從0V變?yōu)?V,PWM組件正常工作,輸出電壓均正常。
    5、當(dāng)濾波電容上無380VDC左右電壓時,說明PFC電路沒有正常工作,PFC模塊關(guān)鍵檢測腳為電源輸入腳VC,啟動腳Vstart/control,CT和RT腳及V0腳。修理一臺富士3000相機時,測試一板上濾波電容上無380VDC電壓。VC,Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常,測量場效應(yīng)功率開關(guān)管G極無V0波形,由于FA5331(PFC)為貼片元件,機器用久后出現(xiàn)V0端與板之間虛焊,V0信號沒有送到場效應(yīng)管G極。將V0端與板上焊點焊好,用萬用表測量濾波電容有380VDC電壓。當(dāng)Vstart/control端為低電平時,PFC亦不能工作,則要檢測其端點與外圍相連的有關(guān)電路。
    總之,開關(guān)電源電路有易有難,功率有大有小,輸出電壓多種多樣。只要抓住其核心的東西,即充分熟悉開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)以及PFC及PWM模塊的特性,它們工作的基本條件,按照上述步驟和方法,多動手進行開關(guān)電源的維修,就能迅速地排除開關(guān)電源故障,達到事半功倍的效果。

 二、開關(guān)電源維修經(jīng)驗之談
    1、開關(guān)電源出現(xiàn)不啟振的時候,我們通常需要查看開關(guān)頻率是否正確、保護電路是否封鎖、電壓反饋電路、電流反饋電路又沒問題,開關(guān)管是否擊穿等。
    2、開關(guān)電源變壓器發(fā)熱或發(fā)出“嗞嗞嗞”聲,一般是開關(guān)頻率不對。
    3、開關(guān)電源輸出電壓電源指示燈一閃一閃的一般是副邊有短路的。

MOS管最常見的應(yīng)用可能是電源中的開關(guān)元件,此外,它們對電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設(shè)備等應(yīng)用一般都配置有多個并行電源,以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源平均分擔(dān)負載,確保系統(tǒng)即使在一個電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。不過,這種架構(gòu)還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起,并保證某個電源的故障不會影響到其它的電源。在每個電源的輸出端,有一個功率MOS管可以讓眾電源分擔(dān)負載,同時各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET,因為它們本質(zhì)上是以 "OR" 邏輯來連接多個電源的輸出。

在ORing FET應(yīng)用中,MOS管的作用是開關(guān)器件,但是由于服務(wù)器類應(yīng)用中電源不間斷工作,這個開關(guān)實際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(guān)功能只發(fā)揮在啟動和關(guān)斷,以及電源出現(xiàn)故障之時 。
    相比從事以開關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計人員,ORing FET應(yīng)用設(shè)計人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務(wù)器為例,在正常工作期間,MOS管只相當(dāng)于一個導(dǎo)體。因此,ORing FET應(yīng)用設(shè)計人員最關(guān)心的是最小傳導(dǎo)損耗。
    低RDS(ON) 可把BOM及PCB尺寸降至最小
    一般而言,MOS管制造商采用RDS(ON) 參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗;對ORing FET應(yīng)用來說,RDS(ON) 也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān),但對于充分的柵極驅(qū)動,RDS(ON) 是一個相對靜態(tài)參數(shù)。
    若設(shè)計人員試圖開發(fā)尺寸最小、成本最低的電源,低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計中,每個電源常常需要多個ORing MOS管并行工作,需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下,設(shè)計人員必須并聯(lián)MOS管,以有效降低RDS(ON)。
    需謹記,在 DC 電路中,并聯(lián)電阻性負載的等效阻抗小于每個負載單獨的阻抗值。比如,兩個并聯(lián)的2Ω 電阻相當(dāng)于一個1Ω的電阻 。因此,一般來說,一個低RDS(ON) 值的MOS管,具備大額定電流,就可以讓設(shè)計人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。
    除了RDS(ON)之外,在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數(shù)也對電源設(shè)計人員非常重要。許多情況下,設(shè)計人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊上的安全工作區(qū)(SOA)曲線,該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系。基本上,SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應(yīng)用中,首要問題是:在"完全導(dǎo)通狀態(tài)"下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。
    若設(shè)計是實現(xiàn)熱插拔功能,SOA曲線也許更能發(fā)揮作用。在這種情況下,MOS管需要部分導(dǎo)通工作。SOA曲線定義了不同脈沖期間的電流和電壓限值。
    注意剛剛提到的額定電流,這也是值得考慮的熱參數(shù),因為始終導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外,日漸升高的結(jié)溫也會導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù),其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細言之,在實際測量中其代表從器件結(jié)(對于一個垂直MOS管,即裸片的上表面附近)到封裝外表面的熱阻抗,在數(shù)據(jù)手冊中有描述。若采用PowerQFN封裝,管殼定義為這個大漏極片的中心。因此,RθJC 定義了裸片與封裝系統(tǒng)的熱效應(yīng)。RθJA 定義了從裸片表面到周圍環(huán)境的熱阻抗,而且一般通過一個腳注來標明與PCB設(shè)計的關(guān)系,包括鍍銅的層數(shù)和厚度。
    開關(guān)電源中的MOS管
    現(xiàn)在讓我們考慮開關(guān)電源應(yīng)用,以及這種應(yīng)用如何需要從一個不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊。
從定義上而言,這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時,有數(shù)十種拓撲可用于開關(guān)電源,這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能(圖2),這些開關(guān)交替在電感里存儲能量,然后把能量釋放給負載。目前,設(shè)計人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率,因為頻率越高,磁性元件可以更小更輕。

 顯然,電源設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜,而且也沒有一個簡單的公式可用于MOS管的評估。但我們不妨考慮一些關(guān)鍵的參數(shù),以及這些參數(shù)為什么至關(guān)重要。傳統(tǒng)上,許多電源設(shè)計人員都采用一個綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG ×導(dǎo)通阻抗RDS(ON))來評估MOS管或?qū)χM行等級劃分。
    柵極電荷和導(dǎo)通阻抗之所以重要,是因為二者都對電源的效率有直接的影響。對效率有影響的損耗主要分為兩種形式--傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。
    柵極電荷是產(chǎn)生開關(guān)損耗的主要原因。柵極電荷單位為納庫侖(nc),是MOS管柵極充電放電所需的能量。柵極電荷和導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 在半導(dǎo)體設(shè)計和制造工藝中相互關(guān)聯(lián),一般來說,器件的柵極電荷值較低,其導(dǎo)通阻抗參數(shù)就稍高。開關(guān)電源中第二重要的MOS管參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。
    某些特殊的拓撲也會改變不同MOS管參數(shù)的相關(guān)品質(zhì),例如,可以把傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與諧振轉(zhuǎn)換器做比較。諧振轉(zhuǎn)換器只在VDS (漏源電壓)或ID (漏極電流)過零時才進行MOS管開關(guān),從而可把開關(guān)損耗降至最低。這些技術(shù)被成為軟開關(guān)或零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)。由于開關(guān)損耗被最小化,RDS(ON) 在這類拓撲中顯得更加重要。
    低輸出電容(COSS)值對這兩類轉(zhuǎn)換器都大有好處。諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電路主要由變壓器的漏電感與COSS決定。此外,在兩個MOS管關(guān)斷的死區(qū)時間內(nèi),諧振電路必須讓COSS完全放電。
    低輸出電容也有利于傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器(有時又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器),不過原因不同。因為每個硬開關(guān)周期存儲在輸出電容中的能量會丟失,反之在諧振轉(zhuǎn)換器中能量反復(fù)循環(huán)。因此,低輸出電容對于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開關(guān)尤其重要。

 


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 ^ 使用開關(guān)電源(直流開關(guān)電源)的常見問題