開關(guān)電源的PCB設(shè)計【文獻綜述】

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1、畢業(yè)設(shè)計文獻綜述電氣工程及其自動化開關(guān)電源的PCB設(shè)計一、前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過時。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的開關(guān)電源。20使世紀(jì)80年代，計算機全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進入了快速發(fā)展的時期[1]。開關(guān)電源基本能夠滿

2、足現(xiàn)代電子設(shè)備對多種電壓和電流的需求。所有開關(guān)電源設(shè)計的最后一步就是PCB板的線路設(shè)計。如果這部分設(shè)計不當(dāng)，PCB也會使開關(guān)電源工作不穩(wěn)定，發(fā)射出過量的電磁干擾（EMI）。PCB設(shè)計是開關(guān)電源研發(fā)過程中極為重要的步驟和環(huán)節(jié)，關(guān)系到開關(guān)電源能否正常工作，生產(chǎn)是否順利進行,使用是否安全等問題。隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展和開關(guān)技術(shù)的進步，開關(guān)電源的開關(guān)頻率與功率密度變得越來越高。然而，開關(guān)電源開關(guān)頻率不斷提高和功率密度不斷增大使開關(guān)電源內(nèi)部的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，帶來了開關(guān)電源PCB設(shè)計EMC電磁兼容性問題，所以如何合理的設(shè)計PCB板也是眾多

3、專家研究的重要方向[2]。AltiumDesigner是業(yè)界首例將設(shè)計流程、集成化PCB設(shè)計、可編程器件（如FPGA）設(shè)計和基于處理器設(shè)計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品。本設(shè)計采用AltiumDesigner軟件，結(jié)合開關(guān)電源的各種特性來合理的設(shè)計、制作PCB板[3]。二、開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r新型電力電子器件的發(fā)展給開關(guān)電源的發(fā)展提供了物質(zhì)條件。在20世紀(jì)60年代末，巨型晶體管（GTR）的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關(guān)電源得以問世，那時確定的開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今[4]。后來隨著電力MOSFET的應(yīng)用，開關(guān)電源的頻率進

4、一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進一步提高。在20世紀(jì)80年代，IGBT的出現(xiàn)讓僅適用于小功率場合的開關(guān)電源在中大功率直流電源也得以發(fā)揮。在20世紀(jì)80年代后20年為了解決因開關(guān)頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問題，出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)電路。隨后在20世紀(jì)90年代，為了提高開關(guān)電源的功率因數(shù)，出現(xiàn)了功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC）[5]。21世紀(jì)，市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達到幾千赫。提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件[6]。21世紀(jì)開關(guān)電源技術(shù)追去和發(fā)展趨勢可以概括為以下四方面。1.小型化、薄型化、輕量

5、化、高頻化。開關(guān)電源的體積、重量主要是有儲能原件（磁性原件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化，實質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能原件的體積[7]。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及電壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。2.高可靠性。開關(guān)電源使用的原件比聯(lián)系工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度，這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，

6、也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間[8]。3.低噪聲。開關(guān)電源的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲，所以，盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源發(fā)展的又一發(fā)展方向[9]。4.采用計算機輔助技術(shù)設(shè)計和控制。采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計最新變換拓撲和最佳參數(shù)，是開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入違紀(jì)檢測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時檢測、記錄并自動報警[10]。三、開關(guān)電源相關(guān)技術(shù)1.開關(guān)電源電路器件（1）半導(dǎo)體器件它的發(fā)展方向

7、是模塊化,并具有高頻化、智能化的技術(shù)性能。目前以功率集成電路和IPM為典型。IPM是以IGBT作為功率開關(guān),集控制驅(qū)動、保護、檢測電路于一個模塊內(nèi)[11]。由于外部接線和焊點減少,可靠性明顯增加。功率半導(dǎo)體器件的特性直接影響著電源整機的性能,至關(guān)重要。（2）新型變壓器新型變壓器是開關(guān)電源中必不可少的部件。平面變壓器是近幾年來的一種新產(chǎn)品，其突出優(yōu)點是能量密度高，體積小；新型壓電變壓器是應(yīng)用電能-機械能-電能的一種新型變壓器。（3）電容、電感電容必須小型化,以與表面貼裝技術(shù)相適應(yīng)，隨著高頻化、小型化的進程發(fā)展,亟待解決電感和變壓器的

8、集成化技術(shù)。超容電容器是電容器件近年來的最新產(chǎn)品，它可以方便地串聯(lián)組合成高壓組件或并聯(lián)組合成高能量存儲組件，現(xiàn)在已經(jīng)能夠提供650V高壓[12]。2.電路集成及系統(tǒng)集成通過控制電路的集成、驅(qū)動電路的集成以及保護電路的集成，最后達到整機的集成化生產(chǎn)。