電力電子課程設計

1、上海交通大學電子信息與電氣工程學院電力電子課程設計報告DC-DC 開關穩(wěn)壓電源設計摘 要關鍵詞：AC-DC-DC，大功率，全橋變換器， OrCAD 報告介紹了筆者按實驗要求使用PSpice 10.5 仿真的交-直變換器。其中簡述了所涉及電路系統(tǒng)原理、元件及參數(shù)選擇、仿真參數(shù)設置與技巧和從無到有建立仿真電路的詳細過程。變換器采用全橋拓撲，輸入交流220V 10，50Hz，輸出直流 36V。AbstractKeywords: AC-DC-DC, Power, full-bridge converter, OrCADThe report includes the AC-DC-DC rectifier

2、s circuit and its performance analyzed by OrCAD. It elaborates the work of the system, the principle to choose components, simulation settings in OrCAD and the whole process to accomplish the simulation. The converter employs the full-bridge topology and performs, under normal condition, with input

3、voltage of 220V 10(rms) and output, 36V. 目錄一、設計目標. 4二、PWM開關穩(wěn)壓電源的基本原理. 41、 PWM開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理. 42、 PWM開關穩(wěn)壓電源的原理電路. 4三、主電路選型. 41、 整流電路選型. 42、 DCDC變換電路選型. 5四、主電路無源器件參數(shù)計算. 71、 整流濾波電路無源器件選型. 72、 全橋式變換電路無源器件選型. 8五、主電路有源器件參數(shù)設計. 101、 整流濾波電路有源器件選型. 102、 全橋式變換電路有源器件選型. 11六、功率開關變壓器設計. 111、 原、副邊繞組匝數(shù)的確定. 112、 變壓器偏

4、磁現(xiàn)象的防止. 12七、驅(qū)動電路設計. 131、 驅(qū)動電路的功能. 132、 驅(qū)動電路的選擇. 133、 輸出電平的驅(qū)動電路. 15八、PWM控制電路設計. 151. PWM控制原理. 152. 控制電路的設計. 16九、檢測電路設計. 20十、保護電路設計. 201、 過電壓保護. 212、 過電流保護. 213、 軟啟動電路. 22十一、電磁兼容性. 251、 傳輸電磁干擾的通道. 252、 EMI的抑制方法. 263、 電源濾波器. 284、 EMI濾波器. 285、 輸出濾波器. 296、 PCB板設計. 30十二、散熱設計. 301、 散熱設計的重要性. 302、 開關器件的熱設計.

5、 313、 高頻變壓器的熱設計. 33一 設計目標1 開關電源（AC-DC-DC）技術要求：輸入電壓：單相交流220V（ 10），50Hz輸出電壓：直流36V輸出電流：最大50A輸出紋波：紋波系數(shù)三角波Vp，Vout為正，否則為負。當直流電壓變化時，PWM的占空比隨之變化。當芯片發(fā)出PWM波時，為了增加驅(qū)動能力，可以用如下（圖7-2）的對管放大方式。其重要性在下文會分析。圖 7-2圖 7-3 圖 7-4另外，MOS管的驅(qū)動電壓是加在g與s極間的，而芯片發(fā)出的電平可能是對地的，這時，我們就要用變壓器把對地的電平轉(zhuǎn)化到g與s極間，如圖7-4。最后，對于我們的橋式變換器來說，上下兩管同時導通是十分危

6、險的，這等于是一次短路，大電流會燒壞器件。所以，我們在上管關斷和下管導通時間之間，有一段“死區(qū)時間”。這段時間內(nèi)，所有管子被在g極置低電平，以使可靠關斷所有管子。3、輸出電平的驅(qū)動電路 由于SG1525輸出的電平信號的功率不足以驅(qū)動MOSFET管的開關，所以我們需要加設功率放大電路，也就是驅(qū)動電路來加以驅(qū)動。簡單起見，我們只用了一個三極管來放大電流，然后用電感來耦合隔離。具體設計如圖7-5所示：圖7-5最終輸出的PWM波形如圖7-6所示：圖7-6八 PWM 控制電路設計1. PWM 控制原理脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。下圖所示為脈沖寬度調(diào)

7、制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為TS 的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù)A，否則輸出0。因此，從圖8-1中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。圖8-1 PWM原理圖圖8-2 PWM輸出波形通過分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時刻 t k 時的信號幅度值。因而，采樣值之間的時間間隔是非均勻的。在系統(tǒng)的輸入端插入一個采樣保持電路可以得到均勻的采樣信號，但是對于實際中t k kT S TS 的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。如果假定采樣為均勻采樣，第k個矩形脈沖可以表示為：k =o 1 + mx( kTS)

8、 式中xt離散化的語音信號；TS 采樣周期；o 未調(diào)制寬度；m 調(diào)制指數(shù)；然而，如果對矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為A，中心在t = k T S 處，k 在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波x p (t) 可以表示為：，式中 。無需作頻譜分析，由上式可以看出脈沖寬度信號由信號x(t)加上一個直流成分以及相位調(diào)制波構成。當0 TS 時，相位調(diào)制部分引起的信號交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進行解調(diào)。通過這種方式，PWM 控制實現(xiàn)了將交流信號轉(zhuǎn)換為之流脈沖信號，并輸出來觸發(fā)直流變換器的功率開關，實現(xiàn)對輸出電流的控制。2.控制電路的設計1）PWM控制芯片 為了能改變輸出電壓

9、的大小，我們選擇SG1525電壓調(diào)節(jié)芯片作為我們調(diào)節(jié)PWM控制，并最終來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 電壓調(diào)節(jié)芯片SG1525構造 SG1525其引腳主要功能如下： 引腳 主要功能 引腳 主要功能 1 負誤差取樣輸入端 9 補償端 2 正誤差取樣輸入端 10 關閉輸出 3 同步信號輸入 11 輸出A端 4 振蕩器信號輸出 12 地 5 振蕩器接電容端 13 正電源 6 振蕩器接電阻端 14 輸出B端 7 RC振蕩放電端 15 欠壓檢測 8 柔順起動端 16 基準電壓SG1525管腳圖圖8-3 SG1525內(nèi)部構造圖圖8-4 各點工作波形基準電壓源 基準電壓源是一個三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓VCC 可在（

10、835）V內(nèi)變化，通常采用+15V，其輸出電壓VST5.1V，精度1%，采用溫度補償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標準電源，向外輸出電流可達400mA，沒有過流保護電路。 振蕩電路 由一個雙門限電壓均從基準電源取得，其高門限電壓VH=3.9低門限電壓VL=0.9V，內(nèi)部橫流源向CT 充電，其端壓VC 線性上升，構成鋸齒波的上升沿，當VC=VH時比較器動作，充電過程結(jié)束，上升時間t1=0.67RTCT比較器動作時使放電電路接通，CT 放電，VC 下降并形成鋸齒波的下降沿，當VC=VL時比較器動作，放電過程結(jié)束，完成一個工作循環(huán)，下降時間t2=1.3RDCT，鋸齒波的基本周期 T

11、=t1+t2 = (0.67RT+1.3RD) CT ，因為RDt2，所以上升沿作為工作沿，下降沿作為回掃沿。 芯片工作過程 2）外圍電路設計 在使用這塊芯片的時候主要遇到了兩個問題。一個是不能通過設計充放電電阻電容的值來改變芯片產(chǎn)生的鋸齒波的頻率，鋸齒波的頻率始終為100KHz，由于這也符合我們的設計指標，所以就將就用著。我在設計時選用了14.7K的RT、1n的CT以及100的RD，計算得到的鋸齒波頻率為100.02KHz。 其余一些管腳的設置相對而言比較隨意，按照參考書目上給的一些圖，接地的接地，上拉的上拉。具體接線圖8-5： 圖8-5 鋸齒波波形如圖8-6所示： 圖8-6雖然Datash

12、eet上說明鋸齒波的峰峰值為0.9V3.9V，但實際測量波形如圖所示，僅0.9V3.3V。另外，Datasheet給出的輸出電平為5V左右，可是實際測得的輸出電平卻達到了14V。輸出波形圖如圖8-7：圖8-7電壓調(diào)節(jié)芯片SG1525 具體的內(nèi)部結(jié)構如圖8-1所示。其中，腳16 為SG1525的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11）V，采用了溫度補償，而且設有過流保護電路。腳5，腳6，腳7內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG1525 的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1 及腳2 分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級

13、差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB 左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9 和腳1 之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡。 九 檢測電路設計開關電源中常用的檢測方法有：電阻檢測法、傳統(tǒng)電磁式電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）檢測法以及霍爾傳感器檢測法等。其中，電阻檢測法在大功率、大電流開關穩(wěn)壓電源中檢測電阻的功耗很大；電流互感器檢測法需要考慮磁心去磁復位避免飽和以及副邊電流下垂的問題。相比之下，磁場平衡式霍爾電流傳感器具有以下優(yōu)點：測量范圍廣，可測量直流、交流和脈沖等各種形式的電流；測量精度高，可做到優(yōu)于1%；線性好；電氣隔離特性好；過載能力強；響應速度快，動態(tài)特性好；抗電

14、磁干擾和外界溫度變化特性好；體積小、重量輕；安裝調(diào)試簡單方便?；谝陨弦幌盗袃?yōu)點，磁場平衡式霍爾電流傳感器在開關穩(wěn)壓電源中得到了廣泛的應用，本小組的開關穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中亦采用了霍爾電流傳感器。十 保護電路設計為了能應對來自外界的惡劣條件和自身發(fā)生的故障，能對電源提供及時保護以免電源損壞，影響整個板子的正常工作，我們需要對保護電路進行設計。一個較為完善的保護電路應包含如下部分：過電壓保護、欠電壓保護、過電流保護、軟啟動電路等。開關電源設計中對保護電路的要求如下：軟啟動自動保護電路的延遲時間一定要大于開關電源電路中一次整流和濾波電路的恢復時間，即濾波電容的充電時間；過流、過壓、欠壓和過熱保護等電路的

15、采樣處理、反饋控制和關斷功率開關過程所用的時間總和要小于功率轉(zhuǎn)換時間，即保護動作時限要短；保護電路切出故障以后要能夠自我恢復到正常狀態(tài)，等待下一次異常情況發(fā)生時再動作。1、過電壓保護過電壓保護又可分為外部過電壓雷擊過電壓和操作過電壓；內(nèi)部過電壓換相過電壓和關斷過電壓。壓敏電阻在過電壓保護中起著重要的作用，壓敏電阻也叫浪涌吸收器，它的主要特點如下：限壓特性好，電壓非線性系數(shù)大，U-I 特性對稱。工作電壓范圍寬，可從3 伏到幾萬伏。電流容量大，其通流密度可達到2000A/cm2。響應速度快，響應時間小于50ns，無續(xù)流。功耗小，在非保護狀態(tài)下，其漏電流為微安級。殘壓比小。電壓溫度系數(shù)小。體積小、重

16、量輕且價格便宜?？煽啃院?，無故障工作時間可達到幾十年。在設計開關穩(wěn)定電源時，壓敏電阻的最大作用是并聯(lián)在電源輸出端，在感性負載或弧光放電負載的情況下，用來吸收浪涌電壓，保護電源內(nèi)部器件。另外，壓敏電阻還可以對二極管（整流器）和高頻變壓器等提供過壓保護。在穩(wěn)壓電源中常用的有MYG 高壓壓敏電阻、MYH 滅弧壓敏電阻和MYW 穩(wěn)壓壓敏電阻。2、過電流保護對于過電流保護，一般分為兩類：關斷方式和限流方式。關斷方式是出現(xiàn)過流即關斷開關管。限流方式是當輸出電流達到規(guī)定值時，就被限定在這個電流上，不再繼續(xù)上升。過電流保護最簡單的方法就是在電路中串聯(lián)接入熔斷絲。當開關電源的輸出電流超過規(guī)定值時，熔斷絲會熔斷，

17、切斷輸入電源，達到保護電源的目的。但是熔斷絲的熔斷需要一定的時間，往往在這段時間里，電源內(nèi)的某些元器件已被燒毀，所以，熔斷絲不是一種可靠的過流保護方法。另外，可以利用電流檢測回路直接檢測電路的電流，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關斷，從而關斷開關管。圖10-1-1 利用電流傳感器進行過流保護電路圖10-1-2 PWM 控制電路的輸出驅(qū)動波形圖3、軟啟動電路開關電源的輸入電路大都采用整流加電容濾波電路。在輸入電源未接通時，濾波電容上的初始電壓為零。在輸入電源接通的瞬間，濾波電容器快速充電，會產(chǎn)生很大的瞬時沖擊電流，如圖10-2 所示。特別是大功率開關電源，其輸入采用較大容量

18、的濾波電容器，其沖擊電流可達100A 以上。如此大的沖擊電流幅值會導致電網(wǎng)電閘的跳閘或者擊穿整流二極管。為保證開關電源正常而可靠的運行，在開關穩(wěn)壓電源的輸入電路中增加軟啟動電路，以防止沖擊電流的產(chǎn)生。圖10-2 合閘瞬間濾波電容電流波形a）熱敏電阻軟啟動電路熱敏電阻軟啟動電路利用熱敏電阻的t R 的負溫度系數(shù)特性，在電源接通瞬間，熱敏電阻的阻值較大，達到限制沖擊電流的作用；當熱敏電阻流過較大電流時，電阻發(fā)熱而使其阻值變小，電路處于正常工作狀態(tài)。采用熱敏電阻防止沖擊電流一般適用于小功率開關電源，由于熱敏電阻的熱慣性，重新恢復高阻需要時間，故對于電源斷電后又需要很快接通的情況，有時起不到限流作用。

19、電路如圖10-3 所示。圖10-3 熱敏電阻軟啟動電路b）可控硅（SCR）軟啟動電路可控硅（SCR）軟啟動電路如圖10-4 所示。在電源瞬時接通時，輸入電壓經(jīng)整流橋VD1-VD4 和限流電阻R 對電容器C 充電。當電容器C 充電到約80%的額定電壓時，逆變器正常工作，經(jīng)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管導通并短路限流電阻R，開關電源處于正常運行狀態(tài)。VD5、VD6、VT1、RB 、CB組成瞬時斷電檢測電路，時間常數(shù)B B = R C 的選取應稍大于半個周期，當輸入發(fā)生瞬間斷電時，檢測電路得到的檢測信號，關 閉逆變器功率開關管VT2 的驅(qū)動信號，使逆變器停止工作，同時切斷晶閘管SCR

20、 的門極觸發(fā)信號，確保電源重新接通時防止沖擊電流。圖10-4 具有關斷檢測的SCR-R 電路這部分我們主要做的是MOS管的保護，保護電路（緩沖電路）如圖10-5。圖10-5這里我們采用的是RCD緩沖電路。它有三個作用：吸收過壓尖峰，減緩dUCE/dt 和充電分流使開關管電流減小。它的工作原理如下：T關斷時，Cs 通過Ds 充電至UCE，T開通時，Cs 通過Rs 放電。 參數(shù)的計算由一下式子決定： T 關斷時電容C 充電能量為：；可以計算得到電容： ；T 開通時，電容向電阻放電，電容兩端的電壓：；要求在ton時間內(nèi)放電完畢，一般認為在t3RC時電容基本放電完畢，因此有：；校核電容的放電電流，限制

21、其放電電流為25 Ic； 最大放電電流，因此有。 具體的計算步驟我們在這里不贅述，在圖10-5我們已經(jīng)給出了各參數(shù)數(shù)值。下面我們給出經(jīng)過緩沖后的MOS管兩端電流以及電壓放大波形，從圖10-6，圖10-7中我們可以看到它們的波形還是比較平滑的。圖10-6圖10-7十一 電磁兼容性電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility, EMC）是指裝置、設備或系統(tǒng)在特定電磁環(huán)境中能正常工作，并且不對該環(huán)境中其他裝置、設備或系統(tǒng)造成電磁干擾的能力。電源的EMC 包含兩個方面：電源能抑制其他裝置、設備或系統(tǒng)對其造成的電磁干擾；電源不對其他裝置、設備或系統(tǒng)造成電磁干擾。開關電源產(chǎn)生的電

22、磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）主要來自功率開關管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對開關電源的干擾主要來自市電電網(wǎng)的變化、雷電干擾、外界設備產(chǎn)生的輻射干擾等。電源工作中產(chǎn)生的電壓或電流突變，即較大的du/dt 和di/dt是形成EMI 源的主要原因。1、傳輸電磁干擾的通道開關電源中的電磁干擾，從傳輸方式可分為傳導干擾和輻射干擾兩大類。任何導體包括導線、電纜、PCB 的帶狀線、電感器、電容器等都可成為傳導干擾的傳輸通道。傳輸通道可分為以下三種形式：電容傳導耦合電感傳導耦合電阻傳導耦合圖11-1-1 電容傳導耦合等效電路圖11-1-2 電感傳導耦合等

23、效電路 圖11-1-3 共用電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電阻傳導耦合等效電路 圖11-1-4 共用地線阻抗產(chǎn)生的電阻傳導耦合等效電路圖11-1-5 共用線路阻抗產(chǎn)生的電阻傳導耦合等效電路輻射干擾是指以電磁波形式傳播的干擾，通常通過屏蔽的方式來抑制輻射干擾。2、EMI 的抑制方法實現(xiàn)電源 EMC 的技術措施有兩種：（1） 盡量減少電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或使用產(chǎn)生干擾最小的元器件和電路，并進行合理布局；（2） 通過接地、屏蔽和濾波等技術抑制電源產(chǎn)生的干擾或提高電源的抗干擾能力。在之前的報告中已經(jīng)涉及了許多抑制EMI 的具體方法，如采用阻尼網(wǎng)絡抑制尖峰電壓、采用壓敏電阻吸收浪涌電壓、給開關管加

24、設緩沖電路。另外還需要考慮接地、屏蔽和布線對EMI 的影響。 a）接地理想的接地面應該是零阻抗和零點位的物理實體，接地的目的是防止EMI，也有保障人身和設備安全方面的考慮，電源接地應遵循以下原則：（1） 分別建立交流、直流和信號的接地通路；（2） 在接地面上，電源接地與信號接地要互相隔離，減小地線間耦合；（3） 電源接地通路，要盡可能以直接的路徑接到阻抗最低的接地導體上；（4） 若電源電路有幾條接地通路，要將這幾條接地通路接到電源的公共接點上，以保證電源電路有低的阻抗通路；（5） 不要采用多端接地母線或橫向接地環(huán)；（6） 在接地母線中盡量少用串聯(lián)接頭；（7） 交流中線必須與機架地線絕緣，并且不

25、能作為電源的接地使用；（8） 為了降低接地連接的阻抗，地線應當短而寬，并與接地面可靠地焊接；（9） 輸入電纜的屏蔽層的接地不能在機殼內(nèi)，必須在機殼的入口處接地，這樣可避免屏蔽層將干擾帶到機殼內(nèi)；（10） 不能利用交流輸入電源的地線當作信號地線。 b）屏蔽屏蔽的作用是使容器里的電源不對容器外的電子設備產(chǎn)生輻射干擾；同時容器外的電子設備（EMI 源）不對容器內(nèi)的電源產(chǎn)生輻射干擾。屏蔽的方法一般分為：靜電屏蔽防止靜電耦合干擾；磁屏蔽防止低頻磁場的干擾；電磁屏蔽防止高頻場的干擾。在電源中需要屏蔽的是高頻變壓器、儲能線圈、繼電器、大功率開關器、輸入和輸出電纜等。許多模塊電源采用全密封封裝方式，外殼設計成

26、全屏蔽結(jié)構，能有效抑制電磁干擾和射頻干擾。實際設計時應注意孔洞和縫隙要遠離電流載體，如線路板、電纜、母排、變壓器等；對孔洞與縫隙采用電磁密封襯墊減小電磁泄漏，如采用導電橡膠、銅簧片、金屬絲網(wǎng)罩、螺旋管等。線路板上最主要的輻射源是電路的振蕩器、時鐘電路、地址總線的低位數(shù)據(jù)線以及功率回路中的PWM電路等。在性能允許時，盡可能降低頻率，減小差模電流的環(huán)路面積，降低電路對干擾的敏感度。盡量使用大規(guī)模集成電路，使用表貼元件，不使用芯片插座。 c）布線一般情況下，布線應遵循以下原則：（1） 電源內(nèi)部的布線應盡量短，高頻電路的布線更應該注意此點；（2） 載有大電流的導線應與信號線隔離；（3） 輸出線不要靠近

27、輸入線；（4） 高頻線應避免平行排列，特別是不能像低頻線那樣捆成線扎；（5） 盡量減小引線電感；（6） 產(chǎn)生干擾的元器件（例如可控硅整流器、功率開關管、高頻變壓器等）應盡量靠近與它們相關的負載，以使耦合路徑最短；（7） 當同一電源給幾個電子設備供電時，這些電子設備之間必須用旁路電容去藕；（8） 導線的分類和敷設應該根據(jù)其電磁兼容性進行分類。按類組束、按束敷設。圖11-2 雙絞線的屏蔽作用3、電源濾波器電源濾波器接在市電電網(wǎng)與電源輸入端之間，它不僅能有效地抑制傳導干擾，還對傳輸線上發(fā)射出的輻射干擾也具有一定的抑制作用。電源濾波器的原理圖如圖11-3所示。圖中，L1和C1為抑制差模干擾的網(wǎng)絡，L2

28、和C2為抑制共模干擾的網(wǎng)絡。兩個L1的鐵心應選擇不易磁飽和的材料。C1容量為0.220.47F，應選用低損耗的陶瓷電容器或聚酯薄膜電容器。L2為共模電感，它是在同一鐵心上繞制的匝數(shù)相等的兩個繞組，電源線的往返電流分別通過兩個繞組，所產(chǎn)生的磁通方向相反，相互抵消，不起電感作用。但對共模干擾來說，它呈現(xiàn)一個大感量的電感，具有很高的阻抗，對共模干擾有良好的抑制作用。圖11-3 電源濾波器原理圖4、EMI 濾波器開關電源的EMI濾波器是一個低通濾波器圖11-4 EMI濾波器原理圖圖11-5-1 共模干擾濾波網(wǎng)絡的等效圖圖11-5-2 差模干擾濾波網(wǎng)絡的等效圖無源低通網(wǎng)絡EMI濾波器具有互易性，它能抑制

29、外部電磁干擾傳輸?shù)介_關電源，也能有效地消除開關電源對市電電網(wǎng)的干擾。5、輸出濾波器輸出濾波器可以有效地抑制差模干擾。常見的輸出濾波器結(jié)構中，電感線圈L1和L2對高頻干擾呈現(xiàn)高阻抗，而C1呈現(xiàn)低阻抗，能有效抑制高頻干擾。若將L1和L2組成共模電感線圈結(jié)構，會對對稱和非對稱的干擾都有較好的濾波效果。 圖11-6-1 常見的輸出濾波器圖11-6-2 帶有共模電感線圈的輸出濾波6、PCB 板設計印制電路板（PCB）的設計對減小開關電源的輻射干擾是相當重要的。在設計PCB 時，應遵循以下原則：（1） 盡量拉大線間距離，以減小電容和耦合電感；（2） 信號線間不能平行。若兩條信號線平行不可避免，可拉大線間距

30、離、在兩條信號之間加一條地線或者使兩條信號線上流過的電流相反；（3） 盡可能加粗電源線條和地線條，并在電源線條和地線條之間并接一只高頻去藕電容器；（4） 減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，并使干擾源的線條與敏感電路的線條成直角，可降低線條間耦合；（5） 對干擾源或敏感電路采用靜電屏蔽，屏蔽層應良好接地；（6） 正、負載流導線可平行地安排在雙面印制板的兩面，可相互抵消它們產(chǎn)生的磁場；（7） 電路元器件應安排緊密，布線緊湊。但輸入部分和輸出部分的元器件不應靠近；（8） 印制線的長度應盡量短、寬度盡量寬、厚度盡量厚，這樣可以減小印制線的直流電阻和自感。印制線拐彎處應采取圓弧形。十二 散熱設計1、散熱設

31、計的重要性為了提高電力電子設備的可靠性，必須考慮散熱設計，開關電源是用來保證電子設備的能量供應的，所以穩(wěn)定的開關電源對于整個系統(tǒng)尤為重要。開關電源內(nèi)部的溫升將導致元器件的失效，當溫度超過一定值時,失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加，溫度超過極限值時將導致元器件失效。溫度和故障率的關系是成正比的,可以用下式來表示：式中F故障率；A常數(shù)；E功率；K玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K)；T結(jié)點溫度；2、開關器件的熱設計由于半導體器件所產(chǎn)生的熱量在開關電源中占主導地位，其熱量主要來源于半導體器件的開通、關斷及導通損耗。通過加裝散熱器是解決開關電源的散熱問題的主要方法。圖12-1是功率器件熱設計的一般流程圖：圖

32、12-1 功率器件熱設計流程圖功率器件受到的熱應力可來自器件內(nèi)部，也可來自器件外部。若器件的散熱能力有限，則功率的耗散就會造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高，使得器件可靠性降低，無法安全工作。表征器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻。器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件（如晶體管）的PN 結(jié)區(qū)、場效應器件的溝道區(qū)，也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等。當結(jié)溫TJ 高于周圍環(huán)境溫度TA 時，熱量通過溫差形成擴散熱流，由芯片通過管殼向外散發(fā)，散發(fā)出的熱量隨著溫差(TJ TA) 的增大而增大。為了保證器件能夠長期正常工作，必須規(guī)定一個最高允許結(jié)溫 TJ max 。TJ max 的大小是根據(jù)器件的芯片材料、

33、封裝材料和可靠性要求確定的。功率器件的散熱能力通常用熱阻表征，記為R th 。熱阻即熱平衡條件下兩點間的溫差與產(chǎn)生該溫差的耗散功率之比。Rth = T / Ploss ,熱阻越大，則散熱能力越差。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻：內(nèi)熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和截面積以及加工工藝等有關；外熱阻則與管殼封裝的形式有關。一般來說，管殼面積越大，則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。a）散熱器熱阻RthC A的選擇 散熱計算就是在一定的工作條件下，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。在我們的設計中，散熱計算應滿足如下方程：式中P loss 開關管功耗； R thJ C 管芯管殼熱阻，數(shù)值由 開關管參數(shù)決定； R thC A 散熱器環(huán)境熱阻；根據(jù)本次設計要求的工作溫度范圍（040）確定最高環(huán)境溫度T A max =40 ，同時規(guī)定最高結(jié)溫不超過130，即TJ max =130。不同的開關管所允許的功耗不同，本次設計中所選IGBT 型號為IRGBC40F（圖12-2是IRGBC40F 的Datasheet），根據(jù)圖12-2 的具體參數(shù)可以得到R