使用開關(guān)電源(直流開關(guān)電源)的常見問題
因?yàn)榻?jīng)常設(shè)計(jì)的是射頻或者是低頻的模擬電路，所以設(shè)計(jì)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(duì)于這種電路，如果被供電電路是敏感的模擬信號(hào)或者是射頻信號(hào)，那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波，或者再采用一級(jí)LDO來降壓，從而達(dá)到輸出低紋波的特性。
2. 系統(tǒng)的電壓需要負(fù)壓，在這種情況下，系統(tǒng)需要開關(guān)電源把正壓變換為負(fù)壓。如果被供電電路是敏感的模擬信號(hào)或者是射頻信號(hào)，那么建議采用LC 的網(wǎng)絡(luò)濾波，或者再采用一級(jí)負(fù)壓的LDO來降壓，從而達(dá)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(shí)若使用LDO或者三端穩(wěn)壓芯片，芯片上的功耗會(huì)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(shí)可以首先使用開關(guān)電源電壓降低到一個(gè)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(fù)電的變壓芯片時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出的負(fù)電壓不足，當(dāng)與負(fù)載斷開時(shí)，發(fā)現(xiàn)電壓恢復(fù)，開始懷疑時(shí)后級(jí)電路出了問題，但是當(dāng)采用穩(wěn)壓電源供電時(shí)，負(fù)電壓并沒有限流，而且采用萬用表的電流檔測(cè)試時(shí)，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(duì)比較小，散熱能力相對(duì)差，所以一定要計(jì)算系統(tǒng)所需的電壓和電流，從而計(jì)算出系統(tǒng)的功耗，然后根據(jù)效率曲線計(jì)算出消耗在開關(guān)電源芯片的上功耗。通過熱阻計(jì)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(shí)候，我們首先需要利用萬用表檢測(cè)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(cè)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(jìn)行更換新的器件。
2、我們?cè)谕瓿缮鲜鰴z測(cè)之后，接通電源后如還不能正常工作，接著我們就要檢測(cè)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(gè)腳的功能及其模塊正常工作的必備條件。
3、對(duì)于具有PFC電路的電源則需測(cè)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(cè)PWM組件的工作狀態(tài)，測(cè)量其電源輸入端VC，參考電壓輸出端VR，啟動(dòng)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(cè)PWM模塊CT端對(duì)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(hào)。
4、在開關(guān)電源維修實(shí)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?yàn)殡娫磫?dòng)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(dòng)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(tái)GEDR電源時(shí)，PWM模塊為UC3843，檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)其他異常，在R(220K)上并接一個(gè)220K的電阻后，PWM組件工作，輸出電壓均正常。有時(shí)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(dá)8900相機(jī)電源時(shí)，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(shí)，說明PFC電路沒有正常工作，PFC模塊關(guān)鍵檢測(cè)腳為電源輸入腳VC，啟動(dòng)腳Vstart/control，CT和RT腳及V0腳。修理一臺(tái)富士3000相機(jī)時(shí)，測(cè)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(cè)量場(chǎng)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(jī)器用久后出現(xiàn)V0端與板之間虛焊，V0信號(hào)沒有送到場(chǎng)效應(yīng)管G極。將V0端與板上焊點(diǎn)焊好，用萬用表測(cè)量濾波電容有380VDC電壓。當(dāng)Vstart/control端為低電平時(shí)，PFC亦不能工作，則要檢測(cè)其端點(diǎn)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(dòng)手進(jìn)行開關(guān)電源的維修，就能迅速地排除開關(guān)電源故障，達(dá)到事半功倍的效果。
二、開關(guān)電源維修經(jīng)驗(yàn)之談
1、開關(guān)電源出現(xiàn)不啟振的時(shí)候，我們通常需要查看開關(guān)頻率是否正確、保護(hù)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(duì)。
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(duì)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(gè)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(fù)載，確保系統(tǒng)即使在一個(gè)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(gè)電源的故障不會(huì)影響到其它的電源。在每個(gè)電源的輸出端，有一個(gè)功率MOS管可以讓眾電源分擔(dān)負(fù)載，同時(shí)各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是以 "OR" 邏輯來連接多個(gè)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(gè)開關(guān)實(shí)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(dòng)和關(guān)斷，以及電源出現(xiàn)故障之時(shí) 。
相比從事以開關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)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(gè)導(dǎo)體。因此，ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)定義RDS(ON) 與柵極 (或驅(qū)動(dòng)) 電壓 VGS 以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS(ON) 是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。
若設(shè)計(jì)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(jì)中，每個(gè)電源常常需要多個(gè)ORing MOS管并行工作，需要多個(gè)器件來把電流傳送給負(fù)載。在許多情況下，設(shè)計(jì)人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。
需謹(jǐn)記，在 DC 電路中，并聯(lián)電阻性負(fù)載的等效阻抗小于每個(gè)負(fù)載單獨(dú)的阻抗值。比如，兩個(gè)并聯(lián)的2Ω 電阻相當(dāng)于一個(gè)1Ω的電阻 。因此，一般來說，一個(gè)低RDS(ON) 值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計(jì)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(gè)MOS管參數(shù)也對(duì)電源設(shè)計(jì)人員非常重要。許多情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊(cè)上的安全工作區(qū)(SOA)曲線，該曲線同時(shí)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(shí)際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。
若設(shè)計(jì)是實(shí)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?yàn)槭冀K導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，日漸升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)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(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。細(xì)言之，在實(shí)際測(cè)量中其代表從器件結(jié)(對(duì)于一個(gè)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(cè)中有描述。若采用PowerQFN封裝，管殼定義為這個(gè)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(gè)腳注來標(biāo)明與PCB設(shè)計(jì)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(gè)不同的角度來審視數(shù)據(jù)手冊(cè)。
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(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜?a href="http://www.lqdty.cn" target=_blank>開關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)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(chǔ)能量，然后把能量釋放給負(fù)載。目前，設(shè)計(jì)人員常常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因?yàn)轭l率越高，磁性元件可以更小更輕。
顯然，電源設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，而且也沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的公式可用于MOS管的評(píng)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(jì)人員都采用一個(gè)綜合品質(zhì)因數(shù)(柵極電荷QG ×導(dǎo)通阻抗RDS(ON))來評(píng)估MOS管或?qū)χM(jìn)行等級(jí)劃分。
柵極電荷和導(dǎo)通阻抗之所以重要，是因?yàn)槎叨紝?duì)電源的效率有直接的影響。對(duì)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(jì)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?fù)湟矔?huì)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(shí)才進(jìn)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?fù)渲酗@得更加重要。
低輸出電容(COSS)值對(duì)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(gè)MOS管關(guān)斷的死區(qū)時(shí)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(shí)又稱為硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器)，不過原因不同。因?yàn)槊總�(gè)硬開關(guān)周期存儲(chǔ)在輸出電容中的能量會(huì)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(duì)于同步降壓調(diào)節(jié)器的低邊開關(guān)尤其重要。
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