电源硬件设计----电源组件基本知识

Posted 2022-09-14 鲁棒最小二乘支持向量机

1 电阻

1.1 电阻的分类

电阻分为固定电阻器和可变电阻器，其中固定电阻器分类如下图：

可变电阻器分类如下图所示：

1.2 电阻的参数术语

• 额定阻值
• 额定功率
• 额定使用温度
• 额定端子温度
• 降额曲线
• 额定电压
• 电介质耐电压
• 电阻温度系数
• 过载电压
• 最大工作电压

1.3 电源中电阻的基本应用

• 浪涌抑制电路
• 放电电路
• 缓冲吸收电路
• 电流检测电路

应用电路如图所示：

• 运放电路
• 电流噪声抑制电路
• 数字电路(上、下拉电阻)
• 阻尼电路

应用电路如图所示：

2 电容

2.1 电容基础知识

电容值计算如下：

等效电路如下：

• ESR=>影响发热
• ESL=>影响通过频率范围
• C=>影响通过频率范围
• Riso=>影响绝缘耐压
• Rleak=>影响漏电流

2.2 电容种类

电容包括电解电容、陶瓷电容、薄膜电容

电解电容分类：

• 形态：液体/固体
• 阳极材质：AI/Ta/Nb

电容对比	电解液电容	聚合物电容
结构	阳极为金属箔；电介质为金属氧化膜；阴极为电解液	阳极为金属箔；电介质为金属氧化膜；阴极为固态聚合物
优点	高电容值；高电压值；价格低廉	相对较高电容值；相对较高电压值；ESL低，ESR低，发热较低，耐高纹波电流；不会凝固，寿命较长，稳定性高
劣势	ESL高，ESR高，寿命短，使用时发热严重	价格高
应用	DC电源线低频噪声滤波	DC电源线低中高频噪声滤波
注意	有极性	有极性

陶瓷电容分类：

NP0(C0G)

• 容值较低
• 容值对温度/电压/时间变化低
• 误差较低(±5%)
• ESR，ESL低

X7R，X5R，Y5V

• 较高的电容值
• 容值对温度/电压/时间变化率高
• 误差稍高(±10%)
• ESR，ESL低

电解电容应用： 电源前端滤波，LC滤波
薄膜电容分类： MKT(聚酯膜电容器)、MKP(聚丙烯膜电容器)

薄膜电容应用：

• 电容并于电源线(L/N)上做差模滤波使用
• 电容并于电源线(L或N)和地线间做共模滤波使用

3 二极管

3.1 二极管基本伏安特性

3.2 二极管的分类

普通二极管有多种类型：

• 按材料分类：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等
• 按管芯结构分类：面接触二极管和点接触二极管
• 按用途不同分类：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管等
• 按结类型分类：半导体结型二极管和金属半导体结型二极管
  

不同二极管对比：

类型	应用场合	正向电压	反向电压	恢复时间
普通硅二极管	低频功率电子应用场合	0.7V	>500V	us
高速二极管	逻辑开关场合	0.7V	<100V	ns
肖特基二极管	快恢复场合	0.3V	<50V	ps
碳化硅二极管	高速，高电压场合	1.4V	<1kV	ns

3.3 二极管参数术语

• 额定正向工作电流IF
• 反向漏电流IR
• 导通压降VF
• 最大反向峰值电压VRM
• 最大直流反向电压VR
• 最大浪涌电流IFSM
• 最高工作频率FM
• 反向恢复时间Trr
• 最大耗散功率P

3.4 电源中二极管的基本应用

整流二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 浪涌电流能力
• 正向电流/电压
• 反向电压

APFC二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 浪涌电流能力
• 正向电流/电压
• 反向电压
• 反向恢复时间

吸收/钳位二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 反向电压
• 反向恢复时间

输出整流二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 反向电压
• 反向恢复时间
• 正向电流电压

4 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)

4.1 MOSFET的种类

MOSFET依据其工作载流子的极性不同，可分为N沟道和P沟道，其中N沟道又包括耗尽型和增强型MOSFET，P沟道也包括耗尽型和增强型MOSFET，如图所示：

MOSFET等效模型，以N沟道为例，如图所示：

4.2 MOSFET参数术语和定义(最大静态参数)

• VDSS最大漏-源电压： 在栅源短接，漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS
• VGS最大栅源电压： VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压，但是会随制造工艺的不同而改变，因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性
• ID连续漏电流： ID定义为芯片在最大额定结温TJ下，管表面温度在25℃或者更高温度下，可允许的最大连续直流电流
• IDM脉冲漏极电流： 该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，脉冲电流要远高于连续的直流电流
• PD容许沟道总功耗： 标定了器件可以消散的最大功耗，可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数
• EAS单脉冲雪崩击穿能量： 如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值，其依赖于雪崩击穿需要消散的能量
• EAR重复雪崩能量
• IAR雪崩击穿电流

4.3 MOSFET参数术语和定义(静态参数)

• V(BR)DSS漏-源击穿电压： 也称为BVDSS，指在特定的温度和栅源短接情况下，流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压
• VGS(th)，VGS(off)阈值电压： VGS(th)指加的栅源电压能使漏极开始有电流，VGS(off)是关断MOSFET时电流消失时的电压
• RDS(on)导通电阻： 在特定的漏电流、栅源电压和25℃的情况下测得的漏源电阻
• IDSS零栅压漏极电流： 指在当栅源电压为零时，在特定的漏源电压下的漏源之间泄露电流
• IGSS栅源漏电流： 在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流

4.4 MOSFET参数术语和定义(动态参数)

• Ciss输入电容： 将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成，或者Ciss=Cgs+Cgd。当输入电容充电至阈值电压时，器件才能开启，放电至一定值时，器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响
• Coss输出电容： 将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成，或者Coss=Cds+Cgd对于软开关的应用，Coss非常重要，因为它可能引起电路的谐振
• Crss反向传输电容： 在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres=Cgd，反向传输电容也常叫做米勒电容，对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数，影响关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小，尤其是输出电容和反向传输电容
• Qgs，Qgd和Qg栅极电荷： 表征存储在端子间电容上的电荷，在开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响
• td(on)导通延时时间： 从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间
• td(off)关断延时时间： 从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟
• tr上升时间： 漏极电流从10%上升到90%所经历的时间
• tf下降时间： 漏极电流从90%下降到10%所经历的时间

4.5 电源中MOSFET的基本应用

基本应用如下图所示：

其中，反激开关管需考虑MOSFET的1、峰值电压，2、额定电流，3、Rdson，4、脉冲电流
APFC开关管需要考虑MOSFET的1、浪涌电流能力，2、正向电流/电压，3、反向电压，4、反向恢复时间
同步整流管需要考虑MOSFET的1、反向电压，2、反向恢复时间，3、Rdson，4、额定电流

5 电感

5.1 电源中电感的作用

SNPS(开关电源)在电源转换效率，应用范围上极具优势，占据市场主导地位。典型的Buck拓扑，电感主要用途：实现整流滤波，负载调节。以能量转换的观点来看，电感具有储存能量的作用。
电路观点： 电感值的大小决定输出纹波电流的大小
能量观点： 电感的储能大小决定其能使用的电源转换功率大小

5.2 电感的分类和结构

常见电感元件主要可分为，按磁路闭合程度分类：屏蔽型、非屏蔽型；按焊接方式分类：贴片封装、插件封装；按线圈结构分类：绕线电感、叠层电感

为了实现大的感知L，可以通过以下方式：

• 增加磁芯材料的磁导率
• 增加磁芯的有效截面积
• 增加线圈的绕制匝数
• 减少磁路长度

常见的磁芯结构有： 工字型；工字型+屏蔽；EE型
磁芯材料选择的主要参考标准： 磁导率；频率特性；温度范围

5.3 电源的选型

电源中电感的主要作用是整流，也就是对电流的变化进行限制；另外从能量观点看，电感是开关电源的主要储能元件，需要满足电源转换的功率要求。所以，电感的选型要由电源转换的电路来计算出电感值L，并满足额定电流、最大电流等。
依据电流变化进行限制，即伏秒原则计算电感，计算公式如下：

• Vcharging是每个开关周期T中对电感充电时，电感两端的电压；比如在Buck中就是Vin-Vout，在Boost中就是Vin
• tcharging是电感每周期充电的时间；比如在Buck中就是ton=Vout/(Vinfsw)，在Boost中就是ton稳态时ton=(Vout-Vin)/(Voutfsw)
• △I是纹波电流的大小，一般用纹波系数r表示：△I=rI；比如在Buck中就是△I=rIout，在Boost中就是△I=r*Iin

因此，电流连续模式的Buck转换电路需要的感值是：

电流连续模式的Boost转换电路需要的感值是：

感值L会随着通过电感的电流I增大而下降，所以需要计算电路中通过电感的电流的最大值和有效值；只有当电感元件的规格达到或者超过计算值才能保证电感值的稳定，而电感值的稳定也是保证电源正常工作的前提。针对不同电源拓扑，电流值的计算会在后续博客更新

6 变压器

6.1 变压器的基本知识

变压器的类型(按应用分类)：

变压器在开关电源线路中的功能：

• 电气隔离
• 功率分配：电压升降、电流分配，功率传递、转换

变压器的基本特性：

• 电压比：V1/V2=N1/N2=匝数比
• 电流比：I1/I2=V2/V1=/N2/N1
• 阻抗比：Z1/Z2=L1/L2=(N1/N2)*(N1/N2)
• 电感量：L=NNAL，磁芯开的气隙越大，AL值越小，越不容易饱和，电感量可控公差越小

变压器的等效电路如下：

变压器的组成：

• 主要物料：磁芯(Core)；骨架/绕线轴(Bobbin)；铜线(Wire)；胶纸(Tape)；挡墙胶纸/边位胶纸(Margin Tape)
• 还可能包括以下物料：外壳(Cover)；铁夹/框架(Frame)；套管(Tube)；铜箔(Copper Foil)
• 辅助物料：胶(Epoxy)；绝缘油/凡立水(Varnish)；锡(Solder)；油墨(Ink)

6.2 变压器的设计考量因素

计算磁芯尺寸，公式如下：

输出功率与开关频率的关系：

• 与拓扑结构有关
• 与开关频率有关，相同封装，频率越高，输出功率越大
• 与安规要求有关，Offline Flyback一般要考虑加强绝缘；DC/DC Flyback只考虑功能绝缘

计算变压器参数----电感，公式如下：

计算变压器参数----初级匝数，公式如下：

	反激	正激	推挽	半桥	全桥
工作象限	1	1	1,3	1,3	1,3
Don	≤0.5	可以大于0.5	<0.5	<0.5	<0.5
△B	≤250mT	≤250mT	≤200mT	≤200mT	≤200mT

计算变压器参数----次级匝数，根据电感电压伏秒平衡可以推算出不同拓扑的电压比，计算次级匝数

	反激	正激	推挽	半桥	全桥
电压比	Vo/Vi=n*D/(1-D)	Vo/Vi=n*D	Vo/Vi=n*2D	Vo/Vi=n*D	Vo/Vi=n*2D

计算变压器参数----漏感

漏感 是指初级绕组所产生的磁力线未耦合到次级绕组的泄露，减少泄露则可以达到降低漏感的目的，从而提高转换效率

减小漏感最有效的办法： 三明治绕法，但是要考虑可以量产性，变压器的骨架要有一个空脚作为过渡连接脚

变压器满足安规要考量的条件：

• 耐压
• 爬电距离
• 电气间隙

影响以上三个条件的因素：

• 绝缘等级(功能绝缘、基本绝缘、加强绝缘)
• 工作电压
• 污染等级
• 过电压等级
• 海拔高度

改善EMI方法：

• 接地
• 屏蔽
• 滤波
• 隔离
• 电路方面的改善

变压器设计考量EMI:

• 磁芯选择(尽量选屏蔽效果好的磁芯)
• 气隙开在中心柱，让绕线充当屏蔽
• 尽量避免飞线设计
• 绕线方法，尽量减少寄生电容，但还要考虑与漏感的平衡
• 将与开关管连接的pin脚埋在线圈里层
• 屏蔽(外屏蔽只改善辐射干扰；内屏蔽既可改善辐射又可改善传导干扰)

7 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)

7.1 IGBT基本知识

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的交流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路等领域。
以N沟道IGBT为例，等效电路、理想等效电路和电路符合如下：

7.2 IGBT参数术语和定义(静态参数)

• 集电极-发射极间电压(VCES)： 在门极-发射极之间处于短路状态时，集电极-发射极间能够施加的最大电压
• 门极-发射极间电压(VGES)： 在集电极-发射极间处于短路状态时，门极-发射极间能够施加的最大电压
• 集电极电流(IC)： 集电极的电极上容许的最大直流电流
• 最大集电极电流(ICRM)： 集电极的电极上容许的最大脉冲电流
• 正向导通电流(IF)： 集成二极管上容许的最大直流正向电流
• 最大正向导通电流(IFRM)： 集成二极管上容许的最大脉冲正向电流
• 短路电流(ISC)： IGBT短路时的电流
• 最大损耗(PTOT)： 每个IGBT所容许的最大功率损耗
• 结温(TJ)： 使元件能够连续性工作的最大芯片温度
• 正向峰值浪涌电流(IFSM)： 在不破坏元件的范围内所允许的一周期以上正弦半波的电流最大值
• 集电极-发射极间断路电流(ICES)： 门极-发射极间处于短路的状态时，在集电极-发射极外加指定的电压时，集电极-发射极间的漏电流
• 门极-发射极间的漏电流(IGES)： 集电极-发射极间处于短路状态时，在门极-发射极间外加指定的电压时，门极-发射极间的漏电流
• 门极-发射极间的阈值电压(VGE(th))： 处于指定的集电极-发射极间的电流和集电极-发射极间的电压之间的门极-发射极间的电压
• 集电极-发射极间的饱和电压(VCE(sat))： 在指定的门极-发射极间的电压下，额定集电极电流流过时的集电极-发射极间的电压值
• 输入电容(Cies)： 集电极-发射极间交流性短路状态下，门极-发射极间和集电极-发射极间外加指定电压时，门极-发射极间的电容
• 输出电容(Coes)： 门极-发射极间交流性短路状态下，门极-发射极间和集电极-发射极间外加指定电压时，集电极-发射极间的电容
• 反向输入电容(Cres)： 在发射极接地的情况下，门极-发射极外加指定电压时，集电极-门极间的电容
• 二极管正向电压(VF)： 在内置二极管中流过指定的正向电流时的正向电压

7.3 IGBT参数术语和定义(动态参数)

• 开通时间(tdon)： IGBT开通时，VGE上升到0V后，VCE下降到最大值的10%时为止的时间
• 上升时间(tr)： IGBT开通时，从集电极电流上升到最大值的10%开始，到VCE下降到最大值的10%为止的时间
• 关断时间(tdoff)： IGBT关断时，从VGE下降到最大值的90%开始，到集电极电流在下降电流的切线上下降到10%为止的时间
• 下降时间(tf)： IGBT关断时，集电极电流从最大值90%开始，在下降电流的切线上下降到10%为止的时间
• 反向恢复时间(trr)： 到内置二极管中的反向恢复电流消失为止所需要的时间
• 反向恢复电流(Irr)： 到内置二极管中正向电流断路时反向流动的电流的峰值
• 逆向偏压安全操作区(RBSOA)： 关断时在指定的条件下，能够使IGBT断路的电流与电压的区域
• 门极电阻(RG)： 门极串联电阻值

7.4 IGBT使用注意事项

过压(Vce>Vces / Vge>Vges)：

• 杂散电感
• 快速开关
• 静电放电

过热(Tjunction>150℃)：

• 短路
• 电流过高
• 开关频率过高
• 冷却不足
• 门极电压过低

IGBT自锁：

• 工作点超出RBSOA(反向偏压安全工作区)

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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