# 开关电源设计：不可不知的注意问题 ## 一、引言 开关电源以其高效、紧凑等优势，在各类电子设备中广泛应用。然而，要设计出性能优良的开关电源，需充分考虑众多关键问题。这些问题涵盖多个方面，从电路拓扑选择到元件参数确定，再到电磁兼容性处理等，任何一个环节疏忽都可能影响电源性能与可靠性。 ## 二、拓扑结构选择

（一）常见拓扑类型

1.Buck 拓扑

：降压型拓扑，适用于输入电压高于输出电压的场景。如手机充电器，常将较高的输入电压转换为手机电池适用的低电压。其优点是结构简单、效率较高；缺点是输出电压不能高于输入电压。设计时需精准计算电感、电容值，以保证输出电压稳定。

2.Boost 拓扑

：升压型拓扑，当需要输出电压高于输入电压时选用，像汽车点火系统，将低电压升至能产生火花的高电压。优点是可实现升压功能；缺点是输出纹波较大，需精心设计滤波电路。

3.Buck - Boost 拓扑

：可实现升降压功能，输入输出电压关系灵活。但该拓扑输出电压与输入电压极性相反，且纹波控制难度较大，常用于对电压极性和升降压有特殊要求的场合。

（二）选择依据

1.输入输出电压关系

：根据实际应用需求，明确输入输出电压的高低关系与具体数值，以此初步筛选合适拓扑。若输入电压固定且高于输出电压，Buck 拓扑可能是首选；若需输出高于输入电压，则考虑 Boost 拓扑。

2.负载特性

：不同负载对电源的要求不同。对于负载变化频繁的情况，需选择动态响应好的拓扑；对于对输出纹波敏感的负载，要着重考虑纹波特性好的拓扑结构。 ## 三、元件参数设计

（一）开关管

1.电压电流参数

：开关管承受的电压需高于最大输入电压与可能产生的尖峰电压之和，电流要满足最大负载电流需求，并留有一定裕量。如在高输入电压、大电流输出的开关电源中，需选用耐压和耐流能力强的开关管，否则开关管易因过压、过流损坏。

2.开关速度

：高速开关可提高电源效率，但过快的开关速度可能导致电磁干扰增大。需综合考虑工作频率与电磁兼容性要求，选择合适开关速度的开关管。

（二）电感

1.电感值计算

：电感值依据拓扑结构、输入输出电压、工作频率及负载电流等参数计算。例如在 Buck 拓扑中，电感值需保证在开关管导通和关断期间，电感电流连续且满足输出纹波要求。

2.磁芯选择

：不同磁芯材料具有不同的磁导率、饱和磁通密度等特性。铁氧体磁芯常用于中高频场合，具有低损耗、高磁导率特点；铁粉芯则适用于大电流、低频应用，因其不易饱和。

（三）电容

1.输入输出电容

：输入电容用于平滑输入电压，减小电压波动，其容量和耐压值需根据输入电压特性和电源功率确定。输出电容对输出电压的稳定性和纹波控制至关重要，除容量和耐压要求外，还需考虑电容的等效串联电阻（ESR），低 ESR 电容可有效降低输出纹波。

2.去耦电容

：在芯片电源引脚等位置需放置去耦电容，滤除高频噪声，保证芯片稳定工作。去耦电容一般选择陶瓷电容，其容量根据芯片工作频率和电流变化率确定。 ## 四、电磁兼容性（EMC）设计

（一）电磁干扰来源

1.开关动作

：开关管的高频导通和关断会产生快速变化的电流和电压，形成电磁干扰源，通过传导和辐射方式影响周边电路。

2.变压器

：高频变压器的磁场变化会产生漏磁，引发电磁干扰，特别是在变压器设计不合理，如绕组布局不佳、磁芯选择不当的情况下，干扰更为严重。

（二）抑制措施

1.屏蔽

：对开关电源中的关键元件，如变压器、开关管等，采用金属屏蔽罩进行屏蔽，减少电磁辐射。同时，对整个电源模块进行屏蔽处理，防止干扰传出。

2.滤波

：在输入输出端添加滤波电路，如共模电感、差模电感与电容组成的滤波器，抑制传导干扰。在 PCB 设计中，合理布局滤波元件，缩短信号路径，提高滤波效果。

3.PCB 布局布线

：合理规划 PCB 布局，将开关电源部分与敏感电路分开，减少干扰耦合。布线时，尽量缩短高频信号走线长度，避免平行走线，减少电磁感应。 ## 五、保护电路设计

（一）过压保护

1.输出过压

：当输出电压超过设定阈值时，过压保护电路动作，可采用稳压二极管、光耦和比较器组成的电路，触发后切断开关管驱动信号或调整电路工作状态，防止负载因过压损坏。

2.输入过压

：在输入侧设置过压保护，监测输入电压，当电压过高时，通过继电器或电子开关切断输入电源，保护开关电源内部元件。

（二）过流保护

1.负载过流

：通过检测负载电流，当电流超过设定值时，过流保护电路启动。可采用采样电阻检测电流，经放大器放大后与基准电压比较，触发保护动作，如限制开关管导通时间或关断开关管。

2.短路保护

：短路是一种极端过流情况，要求保护电路能快速响应。可采用快速熔断器或专用短路保护芯片，在短路发生时迅速切断电路，避免元件因大电流烧毁。 ## 六、散热设计

（一）发热元件分析

1.开关管

：开关管在导通和关断过程中存在一定功耗，产生热量。特别是在高电压、大电流、高频率工作条件下，发热更为严重。

2.变压器

：变压器的铜损和铁损也会产生热量，尤其是在负载电流较大、工作频率较高时，需关注变压器的散热问题。

（二）散热措施

1.散热片

：为开关管、变压器等发热元件安装散热片，增大散热面积，加快热量散发。散热片材质通常选择导热性能好的铝或铜，其尺寸和形状根据元件发热量和安装空间确定。

2.风扇

：对于功率较大、发热量高的开关电源，可采用风扇进行强制风冷。合理设计风道，确保冷空气能有效带走热量，提高散热效率。同时，要注意风扇的噪音问题，选择低噪音风扇。 ## 七、总结 开关电源设计是一项复杂且细致的工作，拓扑结构选择、元件参数设计、电磁兼容性处理、保护电路设计以及散热设计等方面都不容忽视。只有全面考虑这些注意问题，才能设计出性能可靠、稳定高效的开关电源，满足各种电子设备的供电需求。