直流开关电源的优化设计

航天科工惯性技术有限公司 赵振江 王 烨 靳本豪 胡立庆

1 开关电源设计优化

1.1 开关电源的基本组成

直流开关电源的基本组成如图1所示。功率的变换主要是通过电子开关和高频变压器来完成，把直流的输入电压变成受控制的、符合设计要求的高频方波电压。高频方波电压再经过整流滤波后变成符合要求的直流输出电压。直流输出电压经过采样，通过反馈控制电路生成具有一定占空比的高频脉冲信号，调节其占空比就可以调节输出电压，从而得到稳定输出电压。

目前，所用开关电源基本能满足用户要求，但是也存在一些不足：变压器漏感大，电磁干扰较大，对用户设备可能有影响；整流二极管导通压降大，损耗大。承受反向电压大，对其有一定破坏性；输出滤波采用钽电容，承受较大冲击电流和纹波电压。ESR较大，温升高，损耗大；电源的散热性能较差，容易导致局部温升过高而损坏器件；电磁兼容性差。针对目前直流开关电源存在不足，本文主要从开关电源主要器件选型和参数以及工艺方面进行优化。

1.2 变压器优化

在开关电源中，变压器主要起电气隔离、能量传输的作用，是能量变换的核心器件。开关电源变压器的设计考虑的因素很多，比如磁芯材料特性、工作频率的影响、输送功率大小、导线趋肤效应、散热条件等[1]。本文主要从磁材、磁芯结构、参数设计等方面进行了分析。

磁材选型：在高频反激开关电源中，可供选择的磁材有PC40、PC44、PC50、PC95等，其中PC50在高频300kHz时损耗明显增加，不适合高频应用，而PC95的磁材价格昂贵，当前在小功率磁芯方面未有批量化生产，采购成本高、周期长，因此在PC40和PC44间进行优化选择，对于磁材的选择主要关注最大BMAX、磁芯损耗以及温度稳定性等三个方面。通过参数对比，PC44磁材在高频磁芯损耗略优于PC40磁材，而在温度稳定性方面远优于PC40，高温稳定性有利于变压器稳定功率输出，提高可靠性，因此将磁材优化选择为PC44型。

磁芯结构选择和参数优化：罐型磁芯多适用于小功率、对电磁特性要求较高的场合，具有电磁特性好、窗口面积大的特点，因此可用罐形磁芯代替普通磁芯。在罐型变压器设计过程中，由于罐型磁芯散热特性较差，但考虑到可利用的窗口面积变大，因此尽可能地降低铜损和铁损，主要措施有：增加漆包线线径，降低铁损；提高原边感量，降低铜损。

1.3 功率二极管的优化

功率二极管的选型优化。基于单端反激拓扑特点，在原边主功率器件关断时，副边整流二极管处于开通状态，流经二极管的电流包含两部分，一部分为输出提供功率电流，一部分给电容提供充电电流，以12W/5V模块为例，输出平均电流为Io=2.4A，在二极管上的平均导通损耗为：P=UI，其中U为二极管导通压降，在二极管上造成的损耗较为可观。为提高效率，降低发热量，可以选择压降更低的二极管。例如，VISHAY的12CWQ10FN肖特基整流二极管和MBRD835L肖特基二极管，相同工作条件下，DATASHEET提供管压降分别为0.65V和0.41V，因此在满足电压、电流裕量条件下选择MBRD835L作为整流二极管。

吸收电路。在5V输出条件下整流二极管所承受的最大反压为20V，为兼容在更大电流条件下使用低反向压降的二极管，需要考虑二极管在关断过程反向恢复电流造成的电压尖峰，该尖峰电压具有破坏性，需采用缓冲电路来进行吸收[2]。考虑到吸收电路特点，选用原理简单的RC作为阻尼吸收。RC吸收电路工作原理，一是与二极管并联，根据分压原理降低二极管等效电阻，二是吸收二极管等效电路的高频振荡；吸收电路通常是一定范围内，电容越大，等效电阻越小，同时二极管端电压越不容易引起突变，则吸收效果越明显，但是阻容上消耗的功率也就越多，实际电路只能选取可以接受的折中参数。

1.4 滤波电容选型优化

基于单端反激拓扑结构的电源电路，其输出整流滤波通常采用CLC的滤波电路结构。原标准单元设计C1和C2均采用钽电容，其中L前的电容C1承受较大的电流冲击并生成较大的电压纹波。在高频开关条件下，钽电容的充放电特性较差，而瓷介电容具有几乎理想的充放电特性，并可忽略自身发热。首先排除未曾使用的CAK55高分子钽电容，该类型电容国内目前并未大范围使用，而CAK45L和CAK45U进行对比，可基本确定选用CAK45U型钽电容，而瓷介电容在高频滤波中作用不可或缺。

选择不同规格的瓷介电容与C1并联，可以提高整流管后端对高频电流的吸收能力。而单独采用瓷介电容时，需要选择较大容量的电容，且需要在控制电路上进行更改，并需要提高滤波电感L1的裕量，增加体积，因此综合对比，选择钽电解电容和瓷介电容配合使用的方案比较经济且可以提高可靠性。

2 开关电源工艺优化

2.1 印制板设计优化

元器件封装优化。为满足工艺要求，元器件封装均采用符合国军标等级的标准器件封装，焊盘、过孔、间距、敷铜等符合相应的设计规范。

印制板设计优化。在印制板设计过程中，为提高功率器件和热敏感器件的可靠性，在敷铜、散热导孔、热绝缘等方面作了针对性设计，主要措施如下：原、副边分区域设计，确保原、副边通过印制板寄生电容耦合干扰最小；散热导孔设计，在功率器件主MOSFET和副边整流二极管焊盘下增加导热孔，并在另一面对应处增加导热敷铜[3]；增加内层散热敷铜，敷铜中按照输入地、输出地进行隔离分布；电容与发热器件间增加热隔离区域，输入输出引针处采用花盘设计，提高管脚的可焊性；在印制板设计时，需要保证在整机装配时的印制板的过锡度，并同时适当增加焊接面焊盘面积，提高可靠性。

2.2 散热工艺优化

温度是影响开关电源可靠性最重要的因素之一。热设计的原则，一是减少损耗，正确选择器件参数（电流、电压定额。导通电阻以及开关特性）和磁性元件设计，在上文已经进行了论述。另外，选用低功耗的器件、减少发热器件数量，加宽加粗印制线，提高电源效率。二是加强散热，即利用传导、辐射、对流技术将热量转移。利用风冷、液冷（水、油）、散热器、热管等方法进行散热是在更高一级系统中采取的措施，这里只讨论电源本身的散热方法。

导热胶的选用。小功率开关电源由于散热方式限制，只能通过局部的传导散热，将局部热量通过导热介质传递到其他部位，利用导热胶进行散热是一种较好的方式。导热胶的选型就显得尤为重要。导热胶的选用需综合考虑其导热系数、硬度、膨胀率、稳定性、存储时间等因素，并且对其常温固化时间有一定要求，不能低于4h，方便在灌封流程中多次少量灌胶。

热性能测试。为了验证电源模块散热性能，对现有5W电源模块进行试验。通过性能测试，同一模块单元在灌胶前后转换效率不变，表明前后发热量相同，而采用导热胶以及封壳后，相当于增加了模块的热容，在相同的密闭散热条件下，从理论上分析，灌封模块平均温度和局部热点温度均应降低。灌封前由于电源板与外壳仅通过引针进行接触，此时会有较少的热量通过传导至金属壳，灌封前试验时金属壳温升小，可以认为此时为裸板散热。利用热成像仪对电源灌封前后进行了温度对比，效果如图2至图3所示。

灌封后的温度在三个温度值附近均有降低，并且最高温度有较大幅度地降低，符合理论分析。灌胶和金属壳在散热方面主要作用就是将局部热源平均分布到整板部位，降低了主要热源温度，提高了可靠性。

3 开关电源电磁兼容优化

电磁兼容性设计的主要内容有三个方面：一个是采用各种方法尽可能的抑制电磁干扰的产生，比如抑制振荡频率等；二是提高抗干扰能力；三是切断、消除或削弱耦合途径。合理的设计电源系统的结构、布局和布线，对改善EMC起着决定性的作用。

3.1 电源系统结构布局

在电源的组成电路中，有许多不同的电路单元，如开关主电路、控制单元、保护单元等。这些单元如果布局不合理，会影响电源系统内电磁兼容性及系统整体抗干扰能力。将不同功能的电路放在不同的屏蔽腔内，布局比较理想。分区布局的原则为：开关电源与数字电路、模拟电路分区；弱信号单元与强信号单元分区；数字单元与模拟单元分区；电路性质差异大的单元分区；开关电源的主功率部分和控制信号部分尽可能分开。

3.2 电磁屏蔽

对于一个已经完成的电源，为了减小其对外部影响，需要对其进行电磁屏蔽。对现有的电源模块进行封壳处理，可使其对外干扰大大降低。对5W模块的封壳前后辐射值进行测量，壳体为高等级外壳，测试频段为0～10MHz，探头距离模块分别为1cm，结果如图4至图6所示。

图4 5W模块无壳测试（电路板裸露，1cm）

通过图4、图5对比可以看出，封壳之后的辐射值在各个频段较封壳之前较大幅度衰减。图6为使用工业等级壳体的电源模块封壳后测试结果。与图5相比，屏蔽效果不理想。通过上面对模块封壳前后在各频段的辐射量对比，采用高等级模块外壳的屏蔽效果较好。同时，对工业级外壳封壳模块进行测试，工业级模块与高等级模块在辐射方面主要差异为，模块屏蔽效果和变压器屏蔽效果不同，因此基于罐型变压器和高等级外壳的电源模块在辐射电磁兼容方面有优异表现。

图5 5W模块封壳测试（1cm）

图6 5W模块工业等级外壳封壳后测试（1cm）

综上所述，本文针对开关电源中影响较大的几个方面进行了优化设计，可进一步提高开关电源的性能和可靠性。