开关电源基础介绍
（開關電源設計技術）
一、 關電源的用途
開關電源體積小、重量輕、轉換效率高，因此它被廣泛應用於電腦、通信設備、控制裝置及家用電器等電子設備中；
二、 開關電源的分類
按轉換方式可分為: ①交流/直流(AC/DC) ②直流/直流(DC/DC) ③直流/交流(DC/AC) 三大類
按變換器的基本形式可分為：①單端反激式 ②單端正激式 ③推挽式 ④橋式 ⑤半橋式
三、R.C.C變換器（Ringing Choke Converter）
1.此變換器廣泛應用於50W以下的開關電源中，它不需要自激振盪電路，結構簡單，由輸入電壓與輸出電流改變頻率。
2.工作過程：
在VT1導通TON期間，變換器TR1初級從輸入側蓄積能量，在下一次VT1截止TOFF期間, 變換器初級蓄積能量釋放給輸出負載。TOFF結束時變換器初級電壓從自由振盪返回到0V,這個電壓通過基極繞組加到開關電晶體VT1的基極，因此電晶體VT1觸發導通，進入下一個工作週期。
3.電路特點：
①改變基極電位可改變其TON/TOFF時間（占空比D）
②改變占空比D可改變輸出電流和電壓
③占空比D較大，IC(VT1集電極電流) 較小，但VCE較高；
④占空比D較小，IC(VT1集電極電流) 較大，但VCE較低；
⑤占空比 D=TON（導通時間）/ T（工作週期）；
⑥改便輸入電壓與輸出電流可改變工作頻率；
⑦電路成本低，實用於50W以下的開關電源設計。
四、單端正激式變換器
1. 工作原理：
交流輸入電壓經過線路濾波器，再通過橋式一次整流與電容平滑濾波後變為直流電壓，此直流電壓加到開關元件上變為脈衝狀的直流電壓，此直流電壓通過高頻變壓器隔離並可變換成任意大小的直流電壓，再經二極體進行二次整流與電容平滑後變為直流輸出電壓，直流輸出電壓的一部分通過比較電路與基準電壓進行比較，其誤差電壓通過通/斷時間比例控制電路，控制開關元件的通斷時間，從而調整輸出直流電壓。
2. 電路特點：
①開關管在Ton/Toff的同時，都有能量輸出給負載；
②輸出端需要續流二極體；
③輸出端需要儲能電感；
④變壓器設計時不需要加氣隙，初極電感量越大越好；
⑤功率可從幾十瓦設計到幾百瓦；
3. 變壓器設計方法：（實例）
①設計條件
a. 輸入電壓範圍：180-260Vac
b. 額定輸入電壓：230Vac
c. 輸出電壓/電流：5V/20A
d. 工作頻率f：f = 80KHz
e. 最大工作占空比D：D = 0.4
②工作週期T
T = 1/f = 1/80000 =12.5(us)
③最大導通時間Tonmax
Tonmax = T*D = 12.5*0.4 = 5(us)
④求變壓器之輸出功率：
P T =(V O+V F+V L)*I O
P T = (5+0.5+0.2)*20
P T = 114W
式中V O是輸出直流電壓，V F是次級整流二極體的導通壓降，V L是次級扼流圈的壓降。
⑤根據輸出功率及變壓器允許最高溫升查表決定鐵芯規格，包括最大磁通密度（最
大飽和磁感應強度）Bm; 磁通密度變化量△Bm(△Bm= Bm-Br Br是剩餘磁通密度)；鐵芯截面積S. 現查表選用鐵芯規格為PQ32/20 ，△Bm=3500GS , S=80.8mm2
⑥初級繞組匝數計算：（Np）
Np = Vi* Tonmax / S*△Bm 或 Np =( Vi*D / S*△Bm*f)*10ˉб
=325*5 / 80.8*0.35 =325*0.4 / 80.8*0.35*80000*10ˉб≒58(T) ≒58(T)
式中Vi是變壓器的額定直流輸入電壓，(Vi = 230*1.414 = 325V)；Tonmax的單位是(us); S的單位是(mm2);△Bm的單位是(T),1T = 10000GS.
⑦次級繞組輸出最低電壓計算：（Vsmin）
Vsmin = (V O+V F+V L)*T / Ton 或 Vsmin = (V O+V F+V L)/ D
= (5+0.5+0.2)*12.5 / 5 = (5+0.5+0.2) / 0.4
=14.25V = 14.25V
⑧次級繞組匝數計算：（Ns）
因：(Ns/ Np) * Vi*D = V O+V F+V L
故：Ns = （V O+V F+V L）* Np / Vi*D
Ns = （5+0.5+0.2）*58 / 325*0.4
Ns ≒ 3(T)
或
Vs / Vi = Ns / Np
14.25 / 325 = Ns / 58
Ns = 0.043846*58
Ns ≒ 3(T)
⑨設計結果：
設計選用鐵芯規格為PQ32/20 ，△Bm=3500GS , S=80.8mm2；
初級繞組匝數： Np = 58 (T)
次級繞組匝數： Ns = 3 (T)
採用三明治繞法，初級先繞29(T)後，再繞完次級繞組，最後再繞完初級繞組29(T)，初級感量越大越好，初級漏感應小於10uH。
五、半橋式變換器
1．工作原理：
因為減小了一次側開關管的電壓承受能力，所以半橋式變換器是隔離式開關電源較好的拓撲結構，上圖為半橋式變換器電路圖，電容C1 .C2與開關電晶體Q1.Q2組成橋，橋的對角線接變壓器T1的原邊繞組，故稱半橋式變換器，如果C1= C2，某一開關電晶體導通時，繞組上電壓只有電源電壓一半。
穩態條件下，在C1= C2，Q1導通時，C1上的1/2Vs加在原邊線圈上，Q1流過負載電流Io折算至原邊電流加上磁化電流，經占空比所定的時間後，Q1關斷，此時，由於原邊繞組和漏電感的作用，電流繼續流入原邊繞組黑點標示端，但B接點擺動到負電位（A為0電位），如果原邊繞組漏電感儲存的能量是夠大時，二極體D6將導通，鉗位元電壓進一步變負，D6導通的過程把反激能量再生對C2進行充電。B連接點的電壓在阻尼電阻作用下，以振盪形式最後回復到原來的中心值，這時，Q1.Q2的緩衝器電容、電阻（圖未畫）也參與振盪作用。
如果這時Q2加有導通脈衝，Q2導通，原邊繞組黑點端變負，負載電流Io 折算至原邊電流加上磁化電流，流經原邊線組和 Q2，然後重複以前的過程，不同的是，Ip反方向了, Q2關斷時，接點B擺動到正，D5導通鉗位，反激能量再生對C1進行充電。
副邊電路工作如下：當Q1導通時，副邊繞組+Vi電壓使D7導通，如正激變換器工作相似，當Q1關斷，二個繞組電壓均朝零變化，副邊回路電感反激，儲能繼續供能負載，當副邊繞組電壓降到零時，二極體D7.D8都起續流作用，分得的電流近似相等，在D7.D8都導通時，副邊繞組電壓鉗位到零。
穩態條件下，在電晶體導通期間，通過L的電流增加，關斷期間L的電流減小，其平均值等於輸出電流Io。
2．電路特點：
通過使用合適的控制線路調整工作占空比，在電源電壓和負載變化時可以保持輸出電壓不變。
V o = (1/2Vs*2D) / n = (Vs*Ton / Np*Ts)*Ns
式中：Vs ──原邊繞組電壓(V)
Np ──原邊繞組匝數（匝）
Ns ──副邊繞組匝數（匝）
D ──導通占空比D = Ton / T
n ──原邊副邊匝數比
六、開關電源的安規（Safety）
安規標誌：美國的UL；加拿大的CSA；德國的VDE、TUV、GS；中國大陸的CCC；澳大利亞的SAA；荷蘭的KEMA；芬蘭的SETI；比利時的CEBCE；奧地利的OVE；英國的BS；挪威的NEMKO；美國加拿大墨西哥三個北美國家的C-UL，歐洲國家的CE/LVD,同時還有MET,IEC,DSG, ETL,SEMKO,DEMKO,FI等等。
以下內容主要是針對ITE設備（ITE---Information Technology Equipment）來講。
ITE Safety法規：IEC—60950
它延伸到各個地域就有了：歐洲國家的--- EN 60950
美國的--------- UL 60950
北美國家的--- C22.2NO.950
中國的--------- GB-4943
…………………………………..
在它們之間有些差異，但大部分是相同的。
1．一次側二資側的定義：
一次側二次側主要是以高頻隔離變壓器來區分；與高頻變壓器初級相關聯的為一次側，與高頻變壓器次級相關聯為二次側。
2．地的劃分：
安規地（也即與市電零線相連接的地線）
一次地（AC整流的地）
二次地（輸出地）
3．安規認證中檢測的主要目的是看該產品是否有會對人生會造成傷害。比如存在諸如起火、漏電的可能等等。
4．測試的專案（不同地域有不同的要求）
a. 標記和說明…………. （輸入輸出功率待標識）
b. 電擊和能量危險的防護………..(操作使用者應沒有觸電危險)
c. 絕緣（關於絕緣措施、材料、潮濕處理、電氣間隙、爬點距離）
d. 安全特低電壓電路（SELV）….（此電路在任何情況下都不會有危及人生安全
的電壓出現；即交流不超過42.4V 直流不超過
60V）
e. 保護接地措施……..（可靠的接地；接地標識；接地線為綠/黃兩色；所有
的接地均為並聯；接地連接端在載流電極連接之前接通，
載流電極斷開之後斷開）
f. 一次電源隔離………（需用斷接裝置）
g. 一次電路過流保護和接地故障保護……..（有過流保護裝置；熔斷器安裝於
相線）
h. 電氣間隙、爬電距離和絕緣穿透距離
i. 溫度………………….(發熱元件的最高溫度，以及元器件的防火等級)
j. 對地洩漏電流………(在最大的額定電壓下)
k. 抗電強度 ……………(耐壓測試)
l.電氣要求…………….(基本的設講要求)
m. 元器件……………..(關鍵元器件的清單以及其電氣規格參數，還有其所通過
的安規認證)。
5.關鍵元器件大致包括如下：（UL-60950）
1;AC部分：EMI濾波器、電源開關、選擇開關
連接器、X電容、Y電容、保險絲。
2;其他部分：變壓器、PCB板、整流橋、整流濾波電容、功率管
風扇、熱敏電阻、壓敏電阻、熱縮套管、絕緣片。
6.關鍵元器件在不同的規範裏其定義不是一致的。
＊謀產品要通過安規認證其規定的關鍵元器件必須是使
用的有通過相關安規認證的，否則該元器件必須給出樣
品予以必要的安規檢測。
7.以下是安規裏面的幾項極限參數：
a：安規距離
* 一次側與二次側的沿面距離為：5mm (IEC60950 AC220V)
一次側與二次側的空間距離為：4mm (IEC60950 AC220V)
一次側與二次側的沿面距離為：1.6mm (UL-60950 AC115V)
一次側與二次側的空間距離為：1.6mm (UL-60950 AC115V)
一次側元器件以及銅鉑對安規地的距離：1.7mm (UL-60950 )
2mm (GB-4943 )
b：高壓測試
一次側電路與二次側電路的耐壓測試為： DC4242V (EN-60950)
一次側電路與地電路的耐壓測試為： DC2117V (EN-60950)
變壓一次側與二次側的耐壓測試為： AC3000V (EN-60950)
AC1400V (UL-1778) 變壓各層之間的耐壓測試為： AC3000V (EN-60950)
火線及零線對地的耐壓測試為：AC 1500V (EN-60950)
AC1400V (UL-1778)
c.產品的對地洩漏電流最大值不得超過3.5mA
d.產品的對地電阻不得大於 0.1歐
七、開關電源的電磁相容性：（EMC）
EMC標誌有美國的FCC；德國的TUV/EMC；歐洲國家的CE/EMC；澳大利亞的C-Tick；比利時的VCCI；中國大陸的CCC等等。
ITE設備的EMC測試在不同地域所使用的法規：
美洲所使用的是FCC PART 15
歐洲所使用的是EN-55022 ,EN-5524
中國大陸所使用的是GB-9254 ＊ITE設備的定義（Information Technology Equipment）：能對資料和電信消
息進行錄入、存儲、顯示、檢索、傳遞、處理、交換或控制（或幾個功能的組合），該設備可以配置一個或多個通用於資訊傳遞的終端埠。
＊該設備的額定電壓不超過600V
＊如該設備主要功能是發送和接收，則其不屬於ITE 而屬ITU
ITE 設備的EMI 測試環境要求及極限值：
＊ 其測試環境的雜訊必需比EUT(受試設備/Equipment under test)的雜訊限值低6Db ；如果在規定距離處的環境信號場強很高，則可用下列方法叛定EUT 是否合格：
在近距離開行測試，並用下式確定限值L2與近距離d2之
間的對應關係。L2=L1(d1/d2)
L1---距離d1處規定的限值。Uv/m
L2—距離為d2時的新限值。Uv/m
＊ 限值：
B 級ITE 電源端子傳導騷擾限值（Conducted ）：(EN-55022)
(FCC PART 15) 限值 (dB) 頻率範圍
（MHz ）
准峰值
平均值 0.15~0.5
66-56 56-46 0.5~5
56 46 5~30
60 50
B 級ITE 10m 測試距離處的輻射騷擾限值（Radiated ）：(EN-55022)
頻率範圍
限值(dB)
（MHz）准峰值
30~230 30
230~1000 37
FCC PART 15
頻率範圍
准峰值
（MHz）限值(dB)/m
30~88 29
88~216 33.5
216~960 36.4
960~1000 39.5
八、開關電源的技術指標
1.描述輸入電壓影響輸出電壓的幾個指標：
a. 穩壓係數
穩壓係數有絕對穩壓係數和相對穩壓係數，絕對穩壓係數表示負載不變時，電源直流輸出變化量△Uo與輸入電網變化量△U i之比，即：K=△Uo/△U i （K值越大越好）
相對穩壓係數表示負載不變時，穩壓器輸出直流電壓Uo的相對變化量△Uo與輸入電網電壓U i變化量△U的相對變化量△U i之比，即：S=(△Uo/U O) / (△U i/ U i)
一般情況下,如果不特別說明, 穩壓係數通常是指相對穩壓係數,而不是絕對穩壓係數.
b. 電網調整率
它表示輸入電網電壓由額定值變化±10%時,穩壓電源輸出電壓的相對變化量,有時也可以用絕對值表示,一般穩壓電源電網調整率等於或小於1%，
0.1%甚至0.01%。
C. 電壓穩定度
負載電流保持為額定範圍內的任何值,輸入電壓在規定的範圍內變化,所引起的輸出電壓相對變化△Uo/U O(百分值)稱為穩壓器電壓穩定度.有把這項指標更具體的規定為,在額定輸出電壓時,當電網電壓由額定值變化±10%,負載電流從零變化到最大時,引起輸出電壓的變化程度.
2. 負載對輸出電壓影響的幾種指標形式：
a.負載調整率(也稱電流調整率)
在額定電網電壓下,負載電流從零變到最大時,輸出電壓的最大相對變化量,常用百分數表示,有時也用絕對變化量表示.
b.輸出電阻(也稱等效內阻或內阻)
在額定電網電壓下,由於負載電流的變化△I L,引起的輸出電壓變化△Uo,
則輸出電阻為: R=∣△Uo/△I L∣(Ω)
3.紋波電壓的幾種指標形式：
a.最大紋波電壓
在額定輸出電壓和負載電流下,輸出電壓的紋波(包括雜訊)的絕對值大小,通常以峰峰值或有效值表示.
b.紋波係數.r(%)
在額定負載電流下,輸出紋波電壓的有效值U rms與輸出直流電壓Uo之比.
即：r = U rms / Uo * %
九、PCB LAYOUT注意事項
1 電源、地線的處理
既使在整個PCB板中的佈線完成得都很好，但由於電源、地線的考慮不周到而引起的幹擾，會使產品的性能下降，有時甚至影響到產品的成功率。所以對電、地線的佈線要認真對待，把電、地線所產生的噪音幹擾降到最低限度，以保證產品的質量。
對每個從事電子產品設計的工程人員來說都明白地線與電源線之間噪音所產生的原因，現只對降低式抑制噪音作以表述：
（1）、眾所周知的是在電源、地線之間加上去耦電容。
（2）、儘量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關係是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經細寬度可達0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm
（3）、用大面積銅層作地線用,在印製板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各佔用一層。
2 數位電路與類比電路的共地處理
現在有許多PCB不再是單一功能電路（數位或類比電路），而是由數位電路和類比電路混合構成的。因此在佈線時就需要考慮它們之間互相幹擾問題，特別是地線上的噪音幹擾。
數位電路的頻率高，類比電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的類比電路器件，對地線來說，PCB對外界只有一個結點，所以必須在PCB 內部進行處理數、模共地的問題，而在板內部數位地和類比地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的介面處（如插頭等）。數位地與類比地有一點短接，請注意，只有一個連接點。也有在PCB上不共地的，這由系統設計來決定。
3 信號線布在電（地）層上
在多層印製板佈線時，由於在信號線層沒有布完的線剩下已經不多，再多加層數
就會造成浪費也會給生產增加一定的工作量，成本也相應增加了，為解決這個矛盾，可以考慮在電（地）層上進行佈線。首先應考慮用電源層，其次才是地層。因為最好是保留地層的完整性。
4 大面積導體中連接腿的處理
在大面積的接地（電）中，常用元器件的腿與其連接，對連接腿的處理需要進行綜合的考慮，就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：①焊接需要大功率加熱器。②容易造成虛焊點。所以兼顧電氣性能與工藝需要，做成十字花焊盤，稱之為熱隔離（heat shield）俗稱熱焊盤（Thermal），這樣，可使在焊接時因截面過分散熱而產生虛焊點的可能性大大減少。多層板的接電（地）層腿的處理相同。
5 佈線中網路系統的作用
在許多CAD系統中，佈線是依據網路系統決定的。網格過密，通路雖然有所增加，但步進太小，圖場的資料量過大，這必然對設備的存貯空間有更高的要求，同時也物件電腦類電子產品的運算速度有極大的影響。而有些通路是無效的，如被組件腿的焊盤佔用的或被安裝孔、定們孔所佔用的等。網格過疏，通路太少對布通率的影響極大。所以要有一個疏密合理的網格系統來支援佈線的進行。
標準元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網格系統的基礎一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小於0.1英寸的整倍數，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。
6 設計規則檢查（DRC）
佈線設計完成後，需認真檢查佈線設計是否符合設計者所制定的規則，同時也需確認所制定的規則是否符合印製板生產工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面：（1）、線與線，線與組件焊盤，線與貫通孔，組件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產要求。
（2）、電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合（低的波阻抗）？在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。
（3）、對於關鍵的信號線是否採取了最佳措施，如長度最短，加保護線，輸入線及輸出線被明顯地分開。
（4）、類比電路和數位元電路部分，是否有各自獨立的地線。
（5）後加在PCB中的圖形（如圖示、注標）是否會造成信號短路。
（6）對一些不理想的線形進行修改。
（7）、在PCB上是否加有工藝線？阻焊是否符合生產工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字元標誌是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質量。
（8）、多層板中的電源地層的外框邊緣是否縮小，如電源地層的銅箔露出板外容易造成短路。