工程师不可不知的开关电源关键设计（五）
（1）以集成电路U2为核心的采样、比较电路的环路补偿设计；
（2）以前置PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；
（3）输出滤波器设计主要考虑输出电压／电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考；
（4）其它部分如功率管驱动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。
而如图7所示，后置隔离启动+后置PWM控制方式框图，输出电压的稳定过程是：输出误差采样→PWM电路误差比较→PWM调宽→隔离驱动→输出稳压。此类拓扑结构电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各部分：
（1）以后置PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；
（2）输出滤波器设计主要考虑输出电压／电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考。
（3）其它部分如隔离启动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。
比较图6和图7控制方式和环路稳定性补偿设计可知，图7后置隔离启动+后置PWM控制方式的优点如下：
（1）减少了后级采样、比较、放大和光电耦合，控制环路简捷；
（2）只需对后置PWM集成电路内部电压比较器进行环路补偿设计，控制环路的响应频率较宽；
（3）相位裕度大；
（4）负载瞬态特性好；
（5）输入瞬态特性好；
（6）抗辐照能力强。实验证明光电耦合器件即使进行了抗辐照加固其抗辐照总剂量也不会大于2x104Rad（Si），不适合航天电源高可靠、长寿命的应用要求。
6 结语
开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，重点解决的是从输入到输出的电压及功率变换问题。二是稳定性设计，重点解决的是输出电压的品质问题。开关电源稳定性设计的好坏直接决定着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、高低温稳定性、生产和调试难易度。将上述开关电源稳定性设计方法和结论应用到开关电源的研发工作中去，定能事半功倍。
三、大功率开关电源散热设计原理
1、散热的原因
电子产品的芯片的高度集成，功能要求越来越多，体积要求越来越小。今天的元器件得以快速地向小型化。高功能。与高效率发展。高性能的元器件在高速度运行下会产生大量的热，这些热量必须立即去除以保证元器件能在正常工作温度下以最高效率运行。因此热传导相关技术随着电子工业的发展不断地受到挑战。
例如：电脑出现当机现象、LED散热不良会引起光衰等等、
2、散热材料种类：
金、银、铁、铜、铝、铝合金、硅胶片、等
3、散热原理
A 散热器的散热形式主要有辐射和对流两种形式。
辐射换热：热能用辐射形式传播，不需要借助任何介质，可以在真空状态下传播，比如太阳的热能经过宇宙传到地球上。
对流换热：通过空气或其他介质传播热能，比如对流散热器将空气加热。空气将房间内一切物品加热，对六器主要依靠空气运动传播热能。
传统意义上所称的辐射散热器，是指辐射散热器在总散热量中占相对份额的散热器，目前通常最典型的辐射散热器如铸铁、钢制柱式散热器、铜铝复合散热器等等，其中依靠辐射作用所传播的热能只占30%，另外70%热能是以对流式传播的。而对流散热器是基本无辐射换热（或极小）的散热器，如佛瑞德铜管对流散热器，铜管对流散热器利用热空气轻，向上流动的原理，空气循环达到全房间的升温，比辐射式的散热器更加舒适、升温更快。
B、 散热的方式有 辐射散热 传导散热 对流散热 蒸发散热
机体各组织器官产生的热量，随着血液循环均匀地分布于全身各部。当血液流经皮肤血管时，全部热量的90%由皮肤散出，因此皮肤是人体散热的主要部位。还有一小部分热量，通过肺、肾和消化道等途径，随着呼吸、尿和粪便散出体外。
（一）散热的方式——主要是物理方式
1.辐射 辐射是指机体以发射红外线方式来散热。当皮肤温高于环境温度时，机体的热量以辐射方式散失。辐射散热量与皮肤温、环境温度和机体有效辐射面积等因素有关。在一般情况下，辐射散热量占总散热量的40%。当然，如果环境温度高于皮肤温，机体就会吸收辐射热。炼钢工人在炉前作业，炎热的夏季农民在日照下田间劳动也会遇到这种情况。
2.传导与对流 传导就是机体通过传递分子动能的方式散发热量。当人体与比皮肤温低的物体（如衣服、床、椅等）直接接触时，热量自身体传给这些物体。临床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法给高热病人降温，就是利用这个原理。
C、 散热器与环境的热交换
当热量传到散热器的顶部后，就需要尽快地将传来的热量散发到周边环境中去，对风冷散热器而言就是要与周围的空气进行热交换。这时，热量是在两种不同介质间传递，所依循的公式为Q=α X A X ΔT，其中ΔT为两种介质间的温差，即散热器与周围环境空气的温度差；而α为流体的导热系数，在散热片材质和空气成分确定后，它就是一个固定值；其中最重要的A是散热片和空气的接触面积，在其他条件不变的前提下，如散热器的体积一般都会有所限制，机箱内的空间有限，过大会加大安装的难度，而通过改变散热器的形状，增大其与空气的接触面积，增加热交换面积，是提高散热效率的有效手段。、要实现这一点，一般通过用鳍片式设计辅以表面粗糙化或螺纹等办法来增大表面积。
当热量传递给空气后，和散热片接触的空气温度会急速上升，这时候，热空气应该尽可能和周围的冷空气通过对流等热交换方式来将热量带走，对风冷散热器来说，最主要的手段便是提高空气流动的速度，使用风扇来实现强制对流。这点主要和风扇的设计和风速有关，散热器风扇的效能（例如流量、风压）主要取决于风扇扇叶直径、轴向长度、风扇转速和扇叶形状。风扇的流量大都采用 CFM为单位（英制，立方英尺/分钟），一个CFM大约为0.028mm3/分钟的流量。
纯铝散热器
纯铝散热器是早期最为常见的散热器，其制造工艺简单，成本低，到目前为止，纯铝散热器仍然占据着相当一部分市场。为增加其鳍片的散热面积，纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术，而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散热片的鳍片的高度，Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。Pin-Fin比是用Pin的高度（不含底座厚度）除以Fin，Pin-Fin 比越大意味着散热器的有效散热面积越大，代表铝挤压技术越先进。
纯铜散热器
铜的热传导系数是铝的1.69倍，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。不过铜的质地是个问题，很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100％的铜。在铜的列表中，含铜量超过99％的被称为无酸素铜，下一个档次的铜为含铜量为85％以下的丹铜。目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85％都不到，虽然成本很低，但其热传导能力大大降低，影响了散热性。此外，铜也有明显的缺点，成本高，加工难，散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。红铜的硬度不如铝合金AL6063，某些机械加工（如剖沟等）性能不如铝；铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形（ ExtrusiON ）等等问题。
虽然，目前最常用的散热片材料是铜和铝合金，铝合金容易加工，成本低，是应用最多的材料，而铜较高的热传导系数，使得其瞬间吸热能力比铝合金好，但散热的速度就较铝合金要慢。因此，无论纯铜、纯铝、还是铝合金散热器，都有一个致命的缺陷：由于只使用一种材质，虽然基本的散热能力能够满足轻度散热的需要，但由于无法很好地均衡热传导能力和热容量能力两个方面的要求，在散热要求较高的场合便未免有些力不从心了。
铜铝结合技术
在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后，目前市场部分高端散热器往往采用铜铝结合制造工艺，这些散热片通常都采用铜金属底座，而散热鳍片则采用铝合金，当然，除了铜底，也有散热片使用铜柱等方法，也是相同的原理。凭借较高的导热系数，铜制底面可以快速吸收CPU释放的热量；铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到了的一个均衡点。
热量从CPU核心散发到散热片表面，是一个热传导过程。对于散热片的底座而言，由于直接与高热量的小面积热源接触，这就要求底座能够迅速将热量传导开来。散热片选用较高热传导系数的材料对提高热传导效率很有帮助。通过热传导系统对照表可以看出，如铝的热传导系数237W/mK，铜的热传导系数则为401W/mK，而比较同样体积的散热器，铜的重量是铝的3倍，而铝的比热仅为铜的2.3倍，所以相同体积下，铜质散热器可以比铝质散热器容纳更多的热量，升温更慢。同样厚度的散热器底座，铜不但可以快速引走热源如CPU Die的温度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜更适合做成散热器的底面。
不过，这两种金属的结合比较困难，铜和铝之间的亲和力较差，如果接合处理不好，便会产生较大的介面热阻（即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻）。在实际设计和制造中，厂商总是尽可能降低介面热阻，扬长避短，往往这也体现了厂商的设计能力与制造工艺。
4、导热媒介-导热硅胶。
a、什么是热阻？
所谓“热阻”（thermal resiSTance），是指反映阻止热量传递的能力的综合参量。热阻的概念与电阻非常类似，单位也与之相仿——℃/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。
b、空气在自然界中的热阻最大，其数值接近0.03W/mK；
c、填充发热体和金属散热片之间的缝隙，减少空气，使发热体和散热片呈现直接对流散热。
d、导热硅胶片也可以间接散热，即裸露在外面、所以有散热片的叫法。
5、散热模组结构
最后发热体+导热硅胶+散热片，构成了一个散热设计的基本三明治结构，在整过过程中，我们都在和空气打交道，实际上空气层成了我们散热学上最大的挑战，不管我们是增大散热器的面积，还是添加导热介质，都是为了除去空气层。
四、彩电开关电源的分析
目前在电器中使用最多的电源就是开关稳压电源，彩电、平板电视、显示器、D V D 等等，开关电源的故障率也是很高的，工作在大电流、高电压、大功率状态。
开关电源使用率高，有串联型稳压电源无法媲美的优越性
1 、效率高：开关型稳压电源的调整管工作在开关状态，因此，功耗很小，效率可大大提高，其效率通常可达80%～90% 左右。
2、重量轻：开关型稳压电源常采用电网输入的交流电压直接整流，省去了笨重的工频变压器。
3、稳压范围宽：输入交流电压在80～260V 之间变化时，都能达到良好的稳压效果，输出电压的变化在2% 以下，与此同时仍保持高效率。
4、安全可靠：在开关型稳压电路中，具有各种保护电路。
5 、滤波电容容量小：由于开关信号频率高，滤波电容的容量大大减小。
6、功耗小，机内温升低：由于晶体管工作在开关状态，不需采用大散热器，机内温升低，因此整机的可靠性和稳定性也得到一定程度提高。
开关电源工作状态分析
开关电源按照负载与储能电感的连接方式来分，通常有串联型开关电源与并联型开关电源大类，串联型开关电源因电网电压与主板地线不隔离的缺陷容易发生触电事故，故目前绝大多数用并联型开关电源，并联开关电源主板地线不与电网相线相连，习惯上称为“冷底盘电路”或称为“冷机心”。目前用得最多的是自激式振荡开关脉冲调宽式稳压电源，有些引入了行同步功能。
图1 工作原理示意图
图2 波形图
从图中可以看出只要控制了开关管的导通时间（也就是脉冲宽度，故叫脉宽调整）就控制了电感L1 充电时间，从而控制了负载的供电量，开关管工作在开关状态，开关管在截止时电感L1会产生很高的自感电压，相当于电源的整流以后电压10陪，约有3000V左右，故要求开关管耐压要高，且要求L1 有合适的RC 放电回路。
前10 年的彩电以三洋公司研发的A3电源居多，以分立元件为主，但目前的彩电是一块IC 加一个开关管的形式，或直接就是一块IC 厚膜的形式。
图3是2007 年TCL 公司推出的2188F纯平彩电的电源部分，用了一个IC ：
图3
TDA16846 加一个开关管：场效应管BUZ91A 的形式，整个电路结构显得比较简单，这电路没用光电耦合器做反馈。
彩电一般的开关电源是由振荡电路、稳压电路和保护电路三大部分组成。
1、振荡电路：开关电源振荡电路分为晶体管振荡电路和集成块振荡电路，如STR-S？？系列IC，TEA2104、TDA4601、TDA4605、TDA2261、TDA16846 等等。
2、稳压电路：开关电源的稳压原理均采用脉冲调宽式的稳压方式，即通过自动改变开关功率管的关闭和导通时间的比例，或通过改变振荡器输出脉冲的占空比来达到稳压的目的。稳压部分的电路由取样、比较、控制三个部分组成，很多机芯此部分电路是采用IC（如SE110 等IC）和光耦件组合而成，而有些机芯则采用分立元件组成（多为国产机），而有些机芯采用的电源IC本身就集成了这部分电路（如部分串联型开关电源IC）。
3 。保护电路：彩电开关电源都设有保护电路，其保护方式均是使电路停振。有过流保护、过压保护和欠压保护（短路保护），还有过热保护。过流保护电路其过流取样点，大部分电视机中都是在主振功率管的发射极电位上。过压保护电路的取样点一般取自220V交流经整流滤波后的电压或主负载供电电压，通过一个齐纳二极管（稳压管）来进行取样判别。短路保护电路的取样点一般在稳压电源输出的低压组电源上，通过一个二极管来进行判别取样，在IC 式开关电源中，有部分机采用的电源IC内部有“闩锁电路”，这个“闩锁电路”实际上是一个保护执行电路，各取样点送来的信号，通过它执行对电路的停振控制。
开关电源的检修
开关电源损坏后，大多都可独立进行维修，将负载全部断开，在主负载供电电源上带一只2 2 V 、1 0 0 W 的灯泡做假负载，并采用低压供电安全方式，即将供电电源经一自耦式变压器降至70V 左右进行维修，这种维修方法完全避免了因电路存在隐患而再度损坏元件的现象，一般正常的开关电源（并联式），在7 0 V 左右的供电电压就能正常起振工作，慢慢调整自耦变压器的输出电压，开关电源的输出电压都应固定在其预设的电压值上不变，如果开关电源的输出电压随输入电压的变化而变化，则表明其稳压部分有问题；如果没有电压输出则表明震荡电路部分有问题。
第一种情况：我们以并联型光耦控制稳压式开关电源为例，讨论一下其维修方法。当开关电源不能正常稳压时，第一步是要确认引起故障的部位，简单快捷的方法是：将光耦件热地端的两控制脚短路，如果电路进入停振状态，则表明故障在取样比较电路，取样比较电路有问题多半是比较IC 和光耦损坏所致（比较IC损坏多数会引起光耦件同时损坏），如果是控制电路问题，如控制晶体管损坏，在晶体管的代换上一定要注意晶体管的参数。
第二种情况：电路不起振。当确信供电电压正常时，首先检查启动电阻（即跨接在311V 电源与主振功率管基极之间的电阻）是否开路或变值，另外要考虑到不起振是否是由于保护电路动作所引起，如S T R 6 3 0 9 的第6 脚电压（正常为0 V ），STR50213 的第5 脚（正常时100V 左右），TEA2261 的第3 脚（正常为0V），TDA4601的第5脚等等，如果是保护电路引起停振可通过此点来进行判别，另外当控制电路有问题（如控制管击穿）也会引起电路停振。
其实开关电源电路是比较简单的电路，只要分清主振电路、保护电路和比较稳压电路三者的连接关系，维修起来就容易了。
另外，开关电源的主振功率管因其集电极是感性负载，所以在主振管工作时，其集电极将要承受8～10 倍于电源的脉冲电压，为此在电路上加入了吸收电路（并于振荡变压器初级绕组的电容和电阻串联支路）和在主振管集电极与地之间并接的电容，这些元件的作用与行输出级的逆程电容有相似的作用，当这些元件有问题时，极易损坏主振功率管，此点需引起注意，本人曾维修过一台日立2518 的彩电，检查发现其开关电源吸收电路的电容在温度升高时，电容值会变小，从而引起经常损坏电源主振功率管的故障，开关管击穿后通常会把前面的限流水泥电阻烧断。
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