电源基础知识系列学习

电源基础知识系列学习一、了解电阻的分类及特性电阻是最基本的电子元器件之一，它在电源中的应用和其他场合中的应用没有太多的区别，所以考虑的问题点也基本上一样。

但为了设计好一个电源，我们有必要掌握对电阻各种类型和特性。

碳膜电阻“碳膜复合”电阻最初是用固体复合材料制成的，但现在采用更多的是在绝缘芯上使用沉积碳膜制成。

电阻值范围可以从小于1Ω到大于10MΩ，承受的功率水平也可以1/8~5W。

碳是一种良好的导电体，将它与诸如陶瓷之类的非导电材料混合时，可以制成各种阻值的电阻，这些电阻稳定性好，成本低。

随着半导体集成度的提高，半导体厂商也倾向于将更多的电阻加入到集成电路中，尽管这使电阻的使用数量在减少，但电子电路中电阻还是普遍在的。

并且，在一些需要编程电压大小、进行阈值设定和增益调节的模拟电路中，它们仍然十分关键。

现在随着生产自动化的普及，为了与自动化表面贴装生产技术(SMT)兼容，电阻通常更多的是以更小的贴片(SMD)形式制造的。

金属膜电阻电阻也可以通过真空沉积，将各种金属以圆柱或片状形式沉积在陶瓷基底上制成金属膜电阻。

这种技术比碳复合材料制造的电阻呈现更高的稳定性更高的精度、更低的噪音和温度系数，但是成本却要高出碳膜技术不少。

并且阻值可以在制造过程中进行激光微调，达到0.1%的精度等级，而温度系数范围可以在5~25ppm/℃(1ppm，即为百万分之一)。

其他类型电阻对于大功率、大电流的电源，会用到各种材料和封装形式的绕线电阻。

这些电阻在电源中的一个常见应用是作为电流分流器，它们的阻值非常低。

用于获得较小压降(通常低于100mV)来间接测量电流。

用绕线形成电阻有可能引入寄生串联电感，这会对具有快速变化的电流产生负面影响，如产生干扰或是导致测量不准确，然而，可以利用双向绕线寄生电感相互抵消的原理，双向绕线电阻可以很大程度上消除这种影响。

如果需要非常低阻值的电阻时，可以利用印刷电路板(PCB)中铜箔走线阻抗构成电阻，但是设计时必须考虑到铜很大的正温度系数，铜箔走线的电流处理能力也存在相同的缺陷。

使用PCB走线的好处在于，电阻本身已经存在，设计者只需要定义一个特定几何形状来满足所需要的阻值即可，如下图所示。

二、该怎么选择合适的拓扑？在进行电源设计前，我们往往要有哪些考虑因素？当选择拓扑时，又会受到哪些因素的影响？针对这些问题，今天为大家整理了一些内容，希望能对大家有所帮助。

设计电源前的考量大家在设计电源的时候，首先要考虑两个问题：1.设计的电源参数是多少？这些基本参数一般包括输入电压、输出电压、输出电流、功率等级和是否需要隔离；2.设计电源时主要考虑的因素是什么？设计电源时考虑的因素有很多，其中较为常见的考虑因素有成本、方案的尺寸、转换效率，另外还需要考虑工作环境温度及方案的散热和电源的性能方面的静态纹波与动态特性，以及其他的一些特性。

如何选择非隔离拓扑常用的非隔离拓扑一般有三种：降压、升压和升降压电路。

当输出电压小于输入电压的时候，一般选择降压buck电路；当输出电压大于输入电压的时候，一般选择升压boost电路；当输出电压小于或等于负输入电压的时候，一般会选择升降压的buck-boost电路。

如下图所示，三种降压、升压和升降压电路基本的拓扑。

根据电压范围选择完非隔离拓扑之后还需要考虑是否需要用PWM控制器，或者是集成MOS的集成方案甚至是电源模块来进行下一步设计。

如何选择隔离拓扑在隔离拓扑方面，一般会选用的隔离拓扑有四种。

第一种是最简单的隔离拓扑-反激，它的成本比较低，一般应用在功率小于100W的场合，效率可以做到83-94%；其次是正激，通常在功率100-500W的应用场合会选择正激。

正激的效率通常会达到85-96%，因为正激需要额外的一些退磁的二极管或者MOS管，所以成本要比反激略高一些；如果功率达到100-500W，接近500W的时候，可以选择使用半桥的拓扑，半桥拓扑的效率可以达到88-96%；如果功率更高，超过500W的时候，推荐使用全桥拓扑，全桥拓扑使用四个开关MOS 管，所以它成本较高但是效率可以达到90-98%。

下图列有四种常见隔离拓扑的基本结构，供大家参考。

三、电容及其分类电容有许多独特的类型，并且每种类型都针对不同的应用进行了优化设计。

电容除了基本的电容值之外还具有许多特性，而这些特性在电路设计中，需要设计者认真分析对待，因为它们会关系到一些特定电路功能的实现。

在电源设计中，对于电容，实际应用中需要考虑到的特性包括：·电容值（电容的标称值种类不多）·电压等级（根据应用场合适当降额）·等效串联电阻（ESR）·等效串联电感（ESL）·峰值和RMS电流额定值·初始容差再加上（以及）老化效应·温度限制·最大dV/dt等级·失效肌理·当然，还有最为重要的成本电容是能量存储元件（和电感一样），所以它们的特性与其物理尺寸有一定的关联性。

尽管电容具有各种尺寸范围，但用于处理或管理能量时，它们往往体积较大，因此尺寸因素必须添加到重要特性列表中。

为了进一步帮助选择好电容，下图中显示了几种重要类型电容的简单区别随着开关电源设计趋向于工作在更高的开关频率，电容器的寄生参数变得越来越重要，特别是其ESR和ESL。

评估其影响的基本工具是利用非理想电容的等效电路，结合各寄生参数的矢量关系和用于分析这些分布参数对电路性能的影响所用的方程，如下图所示。

另一种用来分析电容的ESR和ESL的特性的方法，是将几种类型的电容的等效阻绘制为频率的函数，如下图所示。

从这些曲线可以看出，在低频的时候，电容开始接近理想，只受电容值影响，随着频率的增加而导致阻抗的降低。

然而，这个阻抗在ESR值处达到最小值，并随着ESL阻抗在更高频率处变得更重要而开始增加，即频率越高，ESL起到的作用越明显，阻抗呈感性。

四、了解整流器整流器，现在我们习惯称之为整流二极管，它是一个双端半导体原件。

在理想情况下，它在一个方向（正向导通）上能完全流过电流，同时反方向时电流被阻断。

因此，它被认为是开关器件，因为当电压极性反向时，它将电流从“接通”切换到“断开”。

然而，在实际应用中是非理想的：一是二极管导通时电压降不为零（虽然接近于零），二是反向偏置时仍存在一定的漏电流，如下图所示。

请注意，图的右半部分和左半部分的横坐标电压比例是完全不同的。

在左侧，击穿电压（V B R）取决于整流二极管类型和耐压等级，是一个较高的电压值，而右侧正向电压（V D）是低得多的值，通常以mV为单位。

在高速开关电路中，二极管还有另一个十分重要的参数，称之为反向恢复时间。

二极管在电压突然反向时需要一个很短的时间来阻断电流的流动。

而在这个反向恢复时间内会有较大瞬态电流在相反的方向流动，该电流的大小和持续时间取决于二极管的类型，以及反向截止时正向电流的大小和反向速率。

与所有其他基本器件一样，在电源设计中也有许多不同类型的整流二极管可供选择，它们的性能成本各不相同，下图对不同整流二极管最重要的一些特性进行了比较。

五、半导体开关器件导体开关器件是开关电源的核心器件。

它是实现电源功率转换的必要器件，并且已经过十几年的发展，涌现出各种各样的技术。

这些器件多年来一直在发展并且仍在继续不断朝着更好的方向发展，要注意的是，这里所说的任何技术都可能被未来的创新所取代。

考虑到这个因素，下图是当前的主要功率变换开关器件的列表，以及一些简单的特性比较：双极性晶体管（BJT）是一种电流驱动型器件，由于其电导率调制效应，导通阈值电压非常低，导通时的饱和电压降也非常低。

但它很难关断，因为它具有类似于二极管的恢复特性，需要将基极电荷完全抽走后才能关断，相比之下，功率MOSFET是一个电压驱动器件，具有更高的导通阈值电压，但其栅极是呈电容性的，因此需要大的瞬态电流来实现快速开关。

在MOSFET中没有电导率调制，所以通态电压降是由有限的导通电阻（R DS（ON））引起的，随着电流的增加而增加，而关断时，只需要极短的反向恢复时间。

尽管在许多情况下，上图所列的其他器件具有较高的电流或电压额定值，但主要应用于较低开关速度的场合。

此外，所列出的那些“新”材料，如碳化硅（SiC）、硅锗（SiGe）、砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN），似乎都有很大的前景和潜力。

制造MOSFET器件的挑战在于，需要通过施加在绝缘栅极上电压的影响，将半导体材料的极性反转，从而在源极和漏极之间形成一个导电沟道。

现在有几种方法可以实现，通过单元晶胞结构横截面可以很好地说明这个过程，如下图所示：可以看到，漏极金属接触在图中右上方的n+区域，并且穿过它到达横向延伸穿过整个单元的n区域。

源极金属接触左上方的n+区域和p区域，并且在栅极的影响下，导电沟道将在p区域中形成。

栅极上的正电压将使p区域表面从p 反转为n，由此形成源极和漏极之间导通流通路径。

请注意，p区和n区之间的连接点处形成了体二极管，当源极相对于漏极电压为正时，这会允许源极和漏极之间的仍然会导通。

该图显示了单个晶胞单元的横截面，但是其导通阻抗具有正温度系数的特性，可以允许多个晶胞并联并具有良好的均流能力。

这是因为如果电流局部集中于某个地方，局部加热将增加导通电阻，从而自动减少该部分流经的电流。

此特性非常有用，因为它允许MOSFET制作过程中将具有数千个单元进行并联以得到大电流器件。

该结构的底层，也叫衬底，在分立的MOSFET中被制成n+，漏极电流垂直向下流到安装表面，这样总的导通阻抗组最小。

当MOSFET被制造为集成结构时（如封装在控制器中），衬底则被制成p型以将其与电路的其余部分相隔离，并且漏极电流横向流动到其与顶表面上的漏极接触的位置，这样给漏极电流增加更长的电阻路径（导通阻抗增加）。

尽管这种结构描述是针对N沟道MOSFET的，但是以类似的技术方式可以制造出互补性的P沟道器件，只是其中半导体区域的极性相反而已。

六、开关电源中的电感开关电源设计的一个关键要素是在功率开关管导通时，要找到一种方式将热量存储起来，当开关管关断时将存储能量提供给负载而维持电流连续。

虽然电容可以实现这种功能（在一类特殊的功率变换器-电荷泵中就完全是这样实现的），除了负载电流需求极小的情况下，电感都是AC/DC转换过程中必不可少的元件。

现在绝大多数电感可以从许多供应商那里买到现成的，电源设计者仍需要有基本的磁性材料知识，以便确定他所应用场合下所满足的一些关键参数。

电感中的能量存储在磁场中，该磁场是由导体上线圈（与磁芯耦合在一起）通过一定的电流产生的。

磁场随着电流的增加而建立，然后是电流在磁场消失时继续流动，如下图的波形所示。

图中的波形是简单降压型稳压器中一些节点的波形。

该电路具有一个功率开关，它导通时电感电流上升，整流二极管在开关管关断时能够让电感电流续流。