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做好電源設計掌握這8條就足夠了!

分類:
行業新聞
作者:
北京穩固得
來源:
北京穩固得
2018/07/02 08:26
評論:

電子信息技術的飛速發展推動了電源技術這一領域的飛速前進,同時也給電源工程技術人員帶來了前所未有的機遇和挑戰,小到家用電器,大到大型電力行業所用的儀器設備,無不需要電源來提供能源,這也更需要大量具有電源專業知識水平的工程師來完成設計和開發。

而電源工程師主要是指從事開關、通訊、設備等電源的設計與研發工作的相關人員。

那么,一個成熟的電源工程師是怎樣工作的呢?主要有十點:

一、接過電源設計要求!評估成本,定可行性方案。

二、根據客戶報價!給定大體的元件成本與生產成本,可行性電路。

三、構想出原理圖!確定所選取的功率管,變壓器,最穩定最簡單生產又方便的原理方案。

四、根據原理圖,客戶給定的樣板要求或外殼要求設計PCB。

五、根據原理圖,裝配合適元件,對電器參數調整。讓本機在最低要求下能正常工作。

六、上負載測試,功率達80測式,檢查輸出波形,電壓要求,電磁性能,功率管溫度,電壓穩定度,轉換效率。在這一個程中,對電子元件進行合適的參數調整。

七、強化測試!也就是超負何,短路,低壓,過壓,強溫,防震等測試。

八、根據樣板確定原理圖準確的參數,定好方位圖,物料圖,發給生產部,倉管,跟單員,對樣板進行小批量生產。

九、對樣板進行嚴格測試,各種性能OK,由業務員發給客戶評估。OK了,可以量產。

十、以后生產對項目進行跟蹤,改良,以最短時間,最好質量給客戶出貨。

以上十點,沒提過工程師的參數是如何得出來的。

 

 

其實,工程師所有參數是從經驗與調試中出來的。我們設計電源,對參數的計算95%是不要的。比如逆變器,1000W,可以用兩個55,因為每個都能達500,也可以用4個40,因為每個40可以達350W。變壓器,哪用算呢!不過要有經驗。

當然你也可以參考完成的產品來定!線圈數,我們也要給驗。電路參數,對于電子元件,就那幾個:電阻,電容,二極管,三極管,電感,熱敏,壓敏,場管,變壓器,保險,集成電路等。

各個元件的組合,也就是我們的基本電路:放大,濾波,隔離,信號源,穩壓,比較,電流放大,電壓放大等常駐用電路。當然還要加上自己想出來的一些獨立電路!

所以,可以把電源板看成一個統一體,然后有所需用常用電路相拼。這樣就能得出一款好的產品。對于新產品,要用自己比較了解又有把握的電路!如不是,設計出來的產品,在生產上問題就會非常多!

電源用通常理解的話說:是一種可以為電子電器提供合適電壓,電流,波形與頻率的轉換裝置!比如:直流電源,可以理解為頻率為零,波形為直線的電源。交流電源,可以理解為電壓交替變換(正負在兩電極間轉換),有頻率,波形的電源!

不管哪一種電源,都可以用微分積分數學把它在任一點時間內的值求解,且有唯一解,比如:方波,是有無數量級的正弦波組成,因此,方波可以分解為奇次諧波與牛次諧波,我們一般取值3次諧波就可以滿足要求,占功率最大部分是基波。

由于現在的電源采用的變壓器基本上為高頻磁心,所以場效應管就成為主要的功率器件!大家都明白,場效應管是工作在開關狀態的,所以以它作為功率管,電源輸出的都是脈沖方波,因此場效應管為功率的電源都帶有很大份量的諧波與基波!

對于場效應管為開關功率管的電源,還要明白的就是:場效應管所生產的損耗90%是在開通至關斷的時間內生產的,因為開通與關斷時間內都有一個很大的瞬間電阻!所以解決開關電源問題,其實主要的工作就是如何減小開通,關斷損耗,對于諧波,可以通過濾波器來解決!

我們還有一點要明白的就是:場效應管對瞬間變化的電壓很敏感,所以給它供電的電源必須電壓要穩定!

最后要明白的就是:它的柵極電阻很大,一點點電壓就可以讓其開通,基本上不要求有電流。所以場效應管是一種電壓控制元件。

使用好場效應管的注意事項:

1、供電電壓要穩定。

2、控制好開通,關斷損耗。

3、適當降低柵極電阻,防止誤導通。

4、要有低通放電電路與速充電電路,因為場管是柵極有電容,其電容充電要快,放電也要快!所以要用圖騰柱電路。

如何設計一款好電源:

第一:確定你的電源功率與輸入電壓。由電源功率選擇開關管的開關電流,變壓器體積,輸入電壓確定開關管的耐壓與變壓器輸入圈數。

第二 :不管何種電壓,電源功率,用到場管都要有低通放電與速充電電路。

第三:變壓器要有吸收電路,把諧波吸收。

第四:場管柵極內阻要用電阻接地拉低。

第五:要選擇合適的開關頻率,保證靜太損耗最小的同時,場管轉換效率最高。

第六:對于輸入電壓超過75V時,要考濾諧振電路作為負助功能電路。

第七:功率過大時,要考濾PFC電路接入設計中。

第八:驅動信號要穩定!且要有5V以上。

不管是開關電源,逆變電源,高頻設計成為主要的技術手段與主流!對于很多沒計過電源或是對電源設計還未達到項目開發能力的人來說,一想到設計,就會想到各種各樣的計算模式!這種想法是對的,但做法是錯的!

真正的電源高手從來不去計算太多的。就算元件有1000個,也不會動筆去算得太多!但出來的電源卻是效果超好。


 

再談一下電源設計工具

電源設計過程是一項極為艱難的工作,從對復雜電路的理解到尋求芯片經銷商的幫助,沒有一件是輕松容易的事情。分享幾種主流的電源設計工具,利用現有的一些軟件和硬件工具,降低電源設計的復雜度,將電源設計真正掌握在自己手中。

1、SIMetrix/SIMPLIS

SIMetrix/SIMPLIS美國Transim公司開發的軟件包。它包含兩個仿真內核-SIMetrix和SIMPLIS,共用一個原理圖編輯界面,界面簡單,相對更容易掌握。其中SIMetrix是在SPICE和XSPICE基礎上開發出來的混合信號電路仿真器,它和其他SPICE類仿真軟件類似,可以精確分析電路元件工作的暫態過程。SIMPLIS是以狀態空間法為基礎的仿真內核,它的元器件采用分段線性的建模方式,運算效率很高,仿真速度是一般SPICE類仿真軟件的10到50倍。并可以直接進行開關電源的小信號分析。適合于電源系統分析,設計和優化。

SIMetrix SPICE本質上和PSpice等仿真軟件相似,此外還它還提供了豐富的分析模式,以AC分析為例,標準SPICE只能進行頻率掃描,SIMetrix SPICE可以提供5種掃描模式。例如通過對固定頻率下的放大器直流輸入電壓掃描,查看輸入偏置及其增益的關系曲線,或進行放大器源電阻噪聲掃描分析給出優化值等等。同時可對電路做蒙特卡羅等分析,優化電路性能。

SIMPLIS是“Simulation For Piecewise Linear System”首字母縮寫詞。專門為開關電源系統的快速建模仿真而設計。SIMPLIS對非線性器件采用分段線性建模,將一個完整的系統定義為線性電路拓撲的循環序列,以描述開關電源系統中半導體器件的開關特性。因此可以取得很高的速度,同樣硬件配置下,其仿真速度比SPICE類軟件快10到50倍,這一特點是SIMPLIS在工程應用中尤其是電源行業里與其他仿真軟件競爭的優勢所在。其缺點在于分段線性模型沒有利用非線性方程描述的SPICE模型精確,因此在模擬實際電路波形方面,如開關電流,電壓尖刺等開關暫態過程可借助SIMetrix。

SIMPLIS具有兩種獨有的分析模式,POP(Period Operating Point)分析和AC分析。POP分析是一種快速確定開關電源穩態工作點的算法。在這種分析模式下,電路無需進行較長時間電路啟動瞬態仿真,就可快速確定開關系統的穩態工作點。它比通常意義上的瞬態仿真快100倍以上。大幅縮短了仿真時間。 SIMPLIS另一個非常突出的特點是可直接對開關電源進行小信號分析。我們知道傳統的靜態頻率掃描方法并不適用于開關電路。

通常設計人員需要再次解析開關電源的狀態方程建立平均模型,建模難度較大,要求工程設計人員具備較好的拓撲分析和控制理論基礎。SIMPLIS的AC分析不需要獲得平均模型即可得到頻域響應,它模擬真實硬件電路的掃頻測量方法。在創建好的原理圖中加入AC擾動源即可進行小信號分析。其分析過程可簡單描述為首先開始POP分析,計算出系統的穩態工作點,然后進行小信號掃描,得出所需頻域曲線。

2、PI Expert Suite

PI Expert 是PI公司推出的一款用于單片開關電源的計算機輔助設計軟件,也稱為PI Expert專家系統,目前的版本是9.0。它能根據設計人員的要求,在輸入了一系列技術指標以后,自動生成電路拓撲、設計結果、材料清單、PCB布局、變壓器參數和結構等。在1-5分鐘內,就可以完成一款單片開關電源的設計工作。目前支持的單片IC有以下幾類:

TOPSwitch-GX PeakSwitch TinySwitch-II TinySwitch-III DPA-Switch

LinkSwitch-II PI Expert Suite 9.0。新版軟件現在增加了對其LinkSwitch?-PL和LinkSwitch-PH LED驅動器IC以及近期推出的TinySwitch?-4離線式開關IC產品系列的設計支持。V9.0還附帶一款增強的電路原理圖處理工具,借助這個工具,設計師可將自動生成的電路原理布局圖所創建的最終BOM上傳至選定、可滿足設計需求的領先分銷商。

PI Expert:是自動化的圖形用戶界面(GUI)程序,它可以根據用戶的電源規格參數,自動生成圍繞Power Integrations某一IC產品系列的電源轉換方案。PI Expert可提供構建和測試工作原型所需的所有必要信息。這些信息包括完整的交互式電路原理圖、物料清單(BOM)、電路板布局建議以及詳細的電氣參數表。PI Expert還可提供完整的變壓器設計,包括磁芯尺寸、線圈圈數、適當的線材規格以及每個繞組所用的并繞線數。此外,還可生成詳細的繞組機械裝配說明。該程序可以將設計時間從數天縮短至幾分鐘。

PI Xls Designer:PI Xls Designer是基于設計表格的應用程序,能讓電源設計師在設計過程中獲得更多的控制。同時,也提供包括詳細的繞組機械裝配說明在內的變壓器構建支持。 PI Xls Designer根據您提供的有關輸入、輸出以及其他所有必需的設計規格來執行所有必要的計算,以設計和評估采用Power Integrations的IC的電源轉換方案。

3、webench

自從德州儀器于1999年推出 WEBENCH 網上設計工具后,設計工程人員便可在數分鐘內于網上創建出可靠的電源供電電路,用戶只要輸入所要求的電路性能, WEBENCH 工具套件便可完成設計。今天,WEBENCH 設計工具可以在數秒間創建和展示出所有符合設計要求的可行方案,包括電源供應器、照明系統和傳感電路等,讓用戶可在決定設計方案前,從系統和供應鏈的角度比較來自不同設計的數值,而這種專業的分析工具在業內可說是唯一的。

所有這些設計工具都可通過 WEBENCH Visualizer 接口提供出多個不同的完整系統選擇 (一目了然的數值比較!) ,而設計工程人員只需調校 WEBENCH 優化旋鈕便可從大小、效率和系統成本的角度調整結果。。

WEBENCH 設計工具中的經濟效益系統(Eco-System 是促成這種數值式比較的關鍵,當中包含超過 110 個不同的組件供貨商和電子零件分銷商,該 Eco-System 可提供超過 21.000 款組件的電氣和物理特性,而且其網上價格和供貨數據可每小時更新。目前,WEBENCH 設計工具可支持簡體中文、日文和英文三種語言。

采用 WEBENCH 設計工具,您只需進行幾個步驟便可在數分鐘內創建一個設計:

定義系統的性能要求,包括光輸出、傳感器精確度或電壓和電流;

選擇您偏愛的 FPGA、LED 或組件供貨商;

在可視熒幕上從大小、成本、效率和簡易度檢討最后得出來的完整解決方案;

分析和調整最后得出來的拓撲和組件供貨商;

打印項目或設計報告或訂購短時間付運的完整建模 (Build It) 套件;

今天決定設計,明天進行組裝;

配合超過150萬個成功設計,使 WEBENCH 設計工具的創意無限。

4、SwitcherPro

SwitcherPro 軟件為您提供電源設計的電路圖和布局建議。一旦您運行了軟件,您便會注意到窗口左側的 EVM 設計選項。例如,您會在給出的列表中找到 TPS54331 EVM。

SwitcherPro 工具還為您提供了修改電路要求的機會,甚至可以修改示意圖中的組件。通過復制 EVM 設計,然后選擇編輯電路選項,便可以進行修改。這樣一來,您就可以修改 DC/DC 轉換器的輸入最小值和最大值,也可以修改輸出電壓和電流要求。軟件還具有一般分析、應力分析、效率分析和回路分析功能,方便您評估電路。

為了完成設計,您需要返回到您的評估模塊,按照 SwitcherPro 的建議修改各項值,然后對您的新電路進行測試和驗證。最后,如果您是在線工作,便可以輕松地同其它人分享您的設計。

您現在一定可以說:“我能自己進行這種電源設計了”。電源設計自然也就在掌控之下!

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