開關(guān)電源設(shè)計(jì)在生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用探索*

◆陳新兵 謝斌盛 胡維 張方櫻 龍曉莉

作者：陳新兵，實(shí)驗(yàn)師，廣州大學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心電子信息實(shí)驗(yàn)室副主任，主要負(fù)責(zé)電工電子類實(shí)踐課程的教學(xué)、建設(shè)與管理工作，長期從事省電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的內(nèi)涵建設(shè)；謝斌盛、胡維、張方櫻、龍曉莉，廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心（510006）。

1 引言

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是電類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，旨在幫助學(xué)生適應(yīng)行業(yè)需求，向工程師角色轉(zhuǎn)變。然而，一般企業(yè)不提供短期硬件設(shè)計(jì)開發(fā)類崗位，當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)習(xí)觀摩體驗(yàn)居多，學(xué)生參與深度不夠，專業(yè)實(shí)踐效果不佳[1-4]，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)環(huán)節(jié)亟待加強(qiáng)。而工程案例的選取及其教學(xué)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

移動(dòng)和便攜設(shè)備的普及，以及新能源的推廣，對(duì)電源效率、能耗、成本和體積的要求越來越高，反激式拓?fù)溆捎谶@些方面的優(yōu)勢[5]，在中小功率開關(guān)電源中得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)應(yīng)用研究方興未艾。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，既涉及電路設(shè)計(jì)和電子工藝等應(yīng)用問題，也涉及電子技術(shù)基本理論問題，有較好的工程應(yīng)用和理論研究價(jià)值，對(duì)學(xué)生將來的工作生活和進(jìn)一步深造都有幫助，具有一定的典型性，是生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)改革的理想工程案例。下面從拓?fù)溲葸M(jìn)、典型應(yīng)用、電路板設(shè)計(jì)和電子工藝方面介紹實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 拓?fù)湓?/h2>

從開關(guān)電源結(jié)構(gòu)入手，簡要介紹各類變換器拓?fù)湓停攸c(diǎn)介紹Buck-Boost變換器及其工作原理，進(jìn)而引出反激式電源設(shè)計(jì)，為后續(xù)講解隔離式電源及其調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

電源適配器是將不穩(wěn)定的供電變換成負(fù)載所需的穩(wěn)定直流輸出，由使輸出匹配的變換器和輸出穩(wěn)定的調(diào)節(jié)器構(gòu)成，Buck、Boost和Buck-Boost拓?fù)涫歉黝愲娫醋儞Q器的拓?fù)湓蚚6]，具有相似的電路形式，區(qū)別在于開關(guān)管、電感和二極管的拓?fù)湮恢茫▓D1陰影部分）。

圖1 拓?fù)湓汀狟uck-Boost變換器

圖1 是一種Buck-Boost變換器，能量通過電感傳輸，其輸出可高于或低于輸入，因與輸入極性相反，也稱反轉(zhuǎn)型變換器，是反激式電源設(shè)計(jì)的參考原型。該電源對(duì)供電要求不高，在新能源和LED照明中應(yīng)用較廣，對(duì)于后續(xù)反激式電源的理解與設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。

Buck-Boost變換器工作原理：當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電流流過電感線圈L，L存儲(chǔ)能量；當(dāng)S斷開時(shí)，電感電流有減小趨勢，產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，電感電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管D受正向偏壓而導(dǎo)通，負(fù)載上有了電壓輸出Vo，電容C充能存儲(chǔ)，以備S轉(zhuǎn)至導(dǎo)通時(shí)放電維持Vo不變。

圖2 反激式電源拓?fù)洹狿CM模式

3 反激式電源拓?fù)?/h2>

從耦合電感入手，介紹反激式變換器的隔離作用，重點(diǎn)介紹反激式電源的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，必要時(shí)介紹一下反激變壓器設(shè)計(jì)，最后結(jié)合電子技術(shù)理論，介紹一下各類應(yīng)用問題，以便改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。

Buck-Boost變換器中的電感換為耦合電感，即成為反激式變換器（圖2），利用耦合電感實(shí)現(xiàn)輸入與輸出回路間的電氣隔離，提高安全性。圖2陰影部分是調(diào)節(jié)器模塊，根據(jù)原邊反饋電流峰值，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率管的開關(guān)控制，原邊回路和副邊回路交替導(dǎo)通。反激式變換器所需外接的元件很少，動(dòng)態(tài)范圍大，其輸入可以是直流，也可以是整流后的交流市電，在中小功率電源中應(yīng)用較多，也常用于LED驅(qū)動(dòng)電源[7-8]。電路中的耦合電感，亦稱反激變壓器，由于其初級(jí)和次級(jí)電流并非同時(shí)出現(xiàn)，且都是單向的脈動(dòng)直流，僅起到電感作用，稱為耦合電感更為合適，能量變換服從安匝守恒。

反激式電源工作原理：當(dāng)功率管S導(dǎo)通時(shí)，電流通過變壓器原邊繞組，電路電流線性上升，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?，?chǔ)存于反激變壓器中，原邊電感電壓為正，此時(shí)變壓器次級(jí)的二極管反向偏置而截止，無電流，負(fù)載由先前被充電的輸出電容C供電；當(dāng)原邊回路電流升至參考值Iref時(shí)，調(diào)節(jié)器關(guān)斷開關(guān)管S，電感電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管正偏使副邊回路導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢?duì)輸出電容C充電、儲(chǔ)能，同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。整個(gè)電路工作于DCM電流斷續(xù)方式，改變開關(guān)管的開關(guān)頻率、占空比和耦合電感，即可調(diào)節(jié)輸出。

涉及的應(yīng)用問題，既涉及變換器部分，也涉及調(diào)節(jié)器部分，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際需要，改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。主要方面有反激變壓器的制作、反激變壓器的保護(hù)（RCD電路）、RS觸發(fā)器的實(shí)現(xiàn)（基本門電路）、調(diào)節(jié)器芯片的軟啟動(dòng)與供電設(shè)計(jì)、各類保護(hù)電路（隔離、短路、開路、欠壓、過熱）。

此外，消隱電路和時(shí)鐘占空比的設(shè)計(jì)非常重要。為了防止誤動(dòng)作，在開關(guān)管閉合的尖峰期間應(yīng)采取消隱措施，可以采用簡單的RC濾波器消除尖峰，也可以使用單穩(wěn)態(tài)電路（555定時(shí)器）進(jìn)行前沿消隱。時(shí)鐘脈沖占空比的設(shè)定，應(yīng)使整個(gè)電源工作于DCM方式，避免出現(xiàn)RS觸發(fā)器不定態(tài)的出現(xiàn)。

4 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

以IC應(yīng)用為目標(biāo)是生產(chǎn)實(shí)習(xí)提高設(shè)計(jì)開發(fā)能力的關(guān)鍵。首先從調(diào)節(jié)器入手，介紹典型應(yīng)用電路，并結(jié)合Altium Designer軟件，重點(diǎn)介紹原理圖設(shè)計(jì)技巧，為電路板設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，學(xué)生根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。

芯片簡介 開關(guān)電源由變換器和調(diào)節(jié)器兩部分組成，前者常由市電驅(qū)動(dòng)，加入整流濾波環(huán)節(jié)即可；后者常由專用IC實(shí)現(xiàn)。BP9021A是一款采用原邊反饋的LED專用恒流驅(qū)動(dòng)芯片，適用于85～265 Vac全范圍輸入電壓、功率3 W以下的反激式隔離電源，芯片內(nèi)置17 V穩(wěn)壓管、650 V功率管、峰值檢測、前沿消隱與PWM恒流控制模塊。LED開路電壓通過外部電阻設(shè)定，無需次級(jí)反饋電路，無需光耦及TL431反饋，無需輔助繞組供電和檢測，也無需補(bǔ)償電路，只需要極少的外圍元件即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的恒流特性，實(shí)現(xiàn)了高精度的LED恒流輸出和優(yōu)異的電流調(diào)整率。BP9021A內(nèi)部集成多重保護(hù)功能。

工作原理 圖3是基于BP9021A設(shè)計(jì)的市電驅(qū)動(dòng)型LED照明電源。系統(tǒng)上電后，母線電壓通過啟動(dòng)電阻R1對(duì)啟動(dòng)電容C2充電，電壓達(dá)到芯片開啟閾值時(shí)，芯片內(nèi)置調(diào)節(jié)器開始工作。系統(tǒng)工作于電感電流斷續(xù)方式，市電整流濾波后，電流經(jīng)原邊繞組Np、芯片內(nèi)置功率管DRAIN和電流采樣電阻R2，構(gòu)成輸入回路；當(dāng)原邊峰值電流超過參考值時(shí)，功率管關(guān)斷，輸入回路斷開，此時(shí)副邊繞組電感放電，副邊繞組Ns、續(xù)流二極管D1和LED負(fù)載構(gòu)成的輸出回路導(dǎo)通工作。

原理圖繪制 Altium Designer是Altium公司推出的一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，融合原理圖設(shè)計(jì)、PCB布線、元器件庫編輯等工具，是生產(chǎn)實(shí)習(xí)提高學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)能力的理想工具[9-10]。原理圖的設(shè)計(jì)應(yīng)簡潔易讀，在確保電路連接正確的情況下提高設(shè)計(jì)效率，盡量一次完成不返工，先放核心IC，其他元件就近布局（圖3），選用貼片封裝（C1和TI1除外）。同類元件的放置和屬性設(shè)置，在懸浮狀態(tài)下用快捷鍵一次搞定。連線交叉或線太長、太密時(shí)，靈活運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)或總線能使原理圖更簡潔。

5 電路板設(shè)計(jì)

開關(guān)電源效率高，噪聲也大，印刷電路板的設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品滿足EMI規(guī)范的關(guān)鍵。從PCB設(shè)計(jì)原則入手，結(jié)合Altium Designer軟件，介紹開關(guān)電源電路板設(shè)計(jì)的過程與技巧，以及批量生產(chǎn)的工藝要求和雙面板制作的關(guān)鍵。

圖3 典型應(yīng)用電路——LED驅(qū)動(dòng)電源

以上電路中高頻變壓器取代了工頻變壓器，大大減少了變壓器和濾波電容體積，其他元件皆用貼片工藝，滿足了LED節(jié)能燈制作的體積和生產(chǎn)工藝要求。使用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)印刷電路板，盡量使用雙層或多層電路板以減少繞線，先將核心IC大致居中，其他元件參考原理圖連接關(guān)系，就近擺放完成PCB初始布局，合適條件下同類型元件就近擺放整齊，元件面敷地，減小電流環(huán)路，過孔電感較大，可采用多個(gè)過孔并聯(lián)減小環(huán)路電感；發(fā)現(xiàn)元件與封裝不一致時(shí)，可直接雙擊焊盤修改網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。

開關(guān)電源的變換器部分從輸入到輸出盡量排列在一條直線上，盡量靠近，否則敷地后會(huì)有捷徑電流，形成大的電流環(huán)路，必要時(shí)加入分隔槽消除；調(diào)節(jié)器與變換器部分須保持一定距離，遵從IC廠家的PCB設(shè)計(jì)指南，如旁路電容、ROVP電阻、地線和環(huán)路面積的處理，尤其是開關(guān)器件部分（功率管漏極、二極管陰極）需要大面積覆銅輔助散熱。電路板設(shè)計(jì)完成后添加定位孔和MARK點(diǎn)，分別用于錫膏印刷機(jī)的板子固定和自動(dòng)貼片機(jī)的位置識(shí)別，這是后續(xù)自動(dòng)貼片線進(jìn)行批量生產(chǎn)所必須的。

最終設(shè)計(jì)應(yīng)符合EMI規(guī)范和生產(chǎn)工藝要求，兼顧簡潔性和合理性，在此前提下提升觀感和效率。雙面板后期制作的關(guān)鍵是頂層和底層的轉(zhuǎn)印對(duì)齊工作，通過Altium Designer軟件的特殊粘貼與翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，一次將雙層PCB圖案打印在一張紙上（圖4），然后通過熱轉(zhuǎn)印制作雙面PCB板，最終實(shí)現(xiàn)SMT流水線的自動(dòng)貼片生產(chǎn)。

圖4 電路板設(shè)計(jì)——LED驅(qū)動(dòng)電源

6 結(jié)語

以開關(guān)電源為工程案例的生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)改革，提升了設(shè)計(jì)開發(fā)能力的培養(yǎng)，為高校集中性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革提供了參考案例。此外，完善實(shí)習(xí)的測試環(huán)節(jié)，使學(xué)生深入了解LED驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)鍵指標(biāo)，探索校企合作，使學(xué)生了解各類LED驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)及其典型應(yīng)用，探索現(xiàn)代工程教育理念下的實(shí)習(xí)教學(xué)改革，從而培養(yǎng)出更適合業(yè)界需求的工程人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家做出更大貢獻(xiàn)。■

[1]李磊.電子信息類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].教育教學(xué)論壇,2014(1):225-226.

[2]張顯,曹全喜.生產(chǎn)實(shí)習(xí)模式的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011(2):151-154.

[3]曹海平,管圖華.基于CDIO理念的電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(1):140-142.

[4]高林.以工程應(yīng)用能力為主導(dǎo) 提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].中國大學(xué)教學(xué),2013(1):27-29.

[5]徐列群,楊武,肖煌兵.基于反激變壓器的LED恒流電源設(shè)計(jì)[J].中國照明電器,2013(3):5-9.

[6]馬場清太郎.電源電路設(shè)計(jì)技巧[M].丁志強(qiáng),譯.北京:科學(xué)出版社,2013:163-252.

[7]陳洋,段哲民,郭龍.反激式變換器拓?fù)涞腖ED電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014(2):95-97.

[8]黃登科,劉拓夫,王正仕.原邊控制反激式LED驅(qū)動(dòng)電源的研究[J].機(jī)電工程,2013(7):866-869.

[9]叢秋波.Altium：一體化電子產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)支持工程師創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù),2008(9):38-39.

[10]牛耀國,朱朝霞,芮新芳.Altium Designer軟件在印刷電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子科技,2011(8):128-130.