电源硬件设计----电源组件基本知识

我不是女神ヾ 2023-09-27 09:25 54阅读 0赞

## 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：  
![在这里插入图片描述][71fa95ecb325424c82b5fe74d3f2e68f.png_pic_center]

可变电阻器分类如下图所示：  
![在这里插入图片描述][c649039095914d9397419b68bed59076.png_pic_center]

#### 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：

![在这里插入图片描述][e97285a555a94236a6526806ebc4f018.png_pic_center]

*  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：

![在这里插入图片描述][446bb138447945e4a1d158490be3939d.png_pic_center]

## 2 电容 ##

#### 2.1 电容基础知识 ####

电容值计算如下：  
![在这里插入图片描述][219dd04f3cb840a49b34c0685cd15adc.png_pic_center]

等效电路如下：

![在这里插入图片描述][9f392ec2ca3641ec9f87b54ac653fd0b.png_pic_center]

*  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

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>电容对比</th> 
   <th>电解液电容</th> 
   <th>聚合物电容</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>结构</td> 
   <td>阳极为金属箔；电介质为金属氧化膜；阴极为电解液</td> 
   <td>阳极为金属箔；电介质为金属氧化膜；阴极为固态聚合物</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>优点</td> 
   <td>高电容值；高电压值；价格低廉</td> 
   <td>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</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>劣势</td> 
   <td>ESL高，ESR高，寿命短，使用时发热严重</td> 
   <td>价格高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>应用</td> 
   <td>DC电源线低频噪声滤波</td> 
   <td>DC电源线低中高频噪声滤波</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>注意</td> 
   <td>有极性</td> 
   <td>有极性</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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 ####

![在这里插入图片描述][6390a6bbd51e401e914e26d3ecbe864c.png_pic_center]

#### 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  
    ![在这里插入图片描述][7c4df345425a4262a19fddd952c69fb8.png_pic_center]

不同二极管对比：

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

#### 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：

![在这里插入图片描述][a5940e83ef174782b694dc871619d30f.png_pic_center]

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：

![在这里插入图片描述][bfdfead6efa94f48a6d61026995e6d2e.png_pic_center]

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：

![在这里插入图片描述][12425ba58e4f4bb48279b87bcedb17a7.png_pic_center]  
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：

![在这里插入图片描述][d0f8149afec64976bcd20d6decb18bfb.png_pic_center]

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：  
![在这里插入图片描述][b2f48e663d1842069307c783b0364a1a.png_pic_center]  
MOSFET等效模型，以N沟道为例，如图所示：  
![在这里插入图片描述][32111ac1da06409d91419b2fd9dfdeff.png_pic_center]

#### 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：

![在这里插入图片描述][2bf7e68b223c4ca1be40b15eea6025c9.png_pic_center]  
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`  
![在这里插入图片描述][3d891e6343a34572b79d040789ddb647.png_pic_center]  
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：  
![在这里插入图片描述][1eb667b516634a609fd914de1a3c15ea.png_pic_center]

*  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/(Vin*fsw)，在Boost中就是ton稳态时ton=(Vout-Vin)/(Vout*fsw)
 *  △I是纹波电流的大小，一般用纹波系数r表示：△I=r*I；比如在Buck中就是△I=r*Iout，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：  
![在这里插入图片描述][54682cca83ac4235a71fb15e5c8eabe2.png_pic_center]

电流连续模式的Boost转换电路需要的感值是：  
![在这里插入图片描述][260ed305dfc848c38ae2d7190e073432.png_pic_center]  
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)：  
![在这里插入图片描述][e606391092d640c7a6a1fb2ee611207b.png_pic_center]  
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=N*N*AL，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：

![在这里插入图片描述][0fe7f0a7ab7e47629bcfd88537c4f325.png_pic_center]  
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：  
![在这里插入图片描述][e3aab452c812495b8367cf8e1f2775b0.png_pic_center]  
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：

![在这里插入图片描述][2edbd209d93248389ac621ab5bfdd430.png_pic_center]

计算变压器参数----初级匝数，公式如下：

![在这里插入图片描述][35b9ee7b455f4dbb9b2690ea8be8063c.png_pic_center]

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

计算变压器参数----漏感  
![在这里插入图片描述][ffe2c75226e749eaa37d6e0d5af30109.png_pic_center]

**`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：

![在这里插入图片描述][10abcbfca8c24e869548a8530956933c.png_pic_center]

#### 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**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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