河南机电高等专科学校毕业设计/论文
第二章 DC/DC变换器主回路使用的元件选择及其特性与质
量指标的含义
2.1 三种元件
2.1.1开关
无论哪一种DC/DC变换器主回路使用的元件只是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态。只有快速状态转换引起的损耗才小，目前使用的电子开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。
2.1.2 电感
电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因此理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过它上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续性”，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。
电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题，多数情况下，电感工作在线性区，此时电感值为一常数，不随端电压与流过的电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起的两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的；其二是分布式杂散电容，随绕线工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随频率提高而渐显出来，到一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容集成为一个，则从电感的等效电路可看出在一角频率后的电容性。
2.1.3 电容
电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件。但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具平滑电压波形的作用。实际上的电容并不是理想的元件。电容器由于有介质、接点与引线，
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形成一个等效串联内电阻ESR。这种等效串联内电阻在开关电源中小信号控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽视的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电路器滤波效果时非常重要。有时加大电容值并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。
电容的串联电阻与接点和引出线有关，也与电解液有关。常见铝电解电容的成分为AL2O3，导电率比空气的大七倍，为了能提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大，加入的电解液可在凸凹面上流动。普通的铝电解电容在高频脉动电流大幅度增加下，高频阻抗温度上升较大，成了开关电源长寿命的瓶颈。
所谓好电容耐反波电流，耐温升，ESR值小。电容电解液受温度影响，温度升高，电阻减小，即电容串联电阻减小，则是理想的。
温度升高，等效串联电阻加大，导致电容寿命减短，这是普通铝电解电容的缺点。为改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将 其干燥形成固体式电解质电容，即“钽电容”。
2.1.4器件选择要点
只如果外接开关管，最好选择开关三极管或功率MOS 管，注意耐压和功耗。如果开关频率很高，电感可选用多线并绕的，以降低趋肤效应的影响。续流二极管一般选恢复时间短、正向导通电压小的肖特基二极管，但要注意耐压。如果输出电压很小(零点几伏)，就必须使用MOS管续流。输出滤波电容一般使用高频电容，可减小输出纹波同时降低电容的温升。在取样电路的上臂电阻并一个0.1～1μf电容，可以改善瞬态响应。
2.1.5 电源设计的器件选择需要注意以下几点：
1）选择设计灵活性較大的DC/DC变换器，扩大电路设计的范围。 2） 低消耗电流、高效率可延长电池的使用寿命。 3） 可使用小型的外接元器件，实现产品小型化。 4）有力的技术支持工具。
2.1.6 元器件的选用
因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器失效主要集中在以下四个方面。
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质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不符合的可以通过严格的检查加以剔除，在工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品。
(1)元器件可靠问题
元器件可靠性问题，即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：
a.电阻在湿温下按技术条件进行100%的测试，剔除不合格品。 b.普通电容器. 按技术条件进行100%的测试，剔除不合格品。 c.接插件按技术条件抽样检测各种参数。
d.半导体器件按以下程序进行筛选：目检、初测、高温储存、高低温冲击、电功率老化、高温测试、低温测试、常温测试。筛选结束后应计算剔除率：Ｑ=n/N*100%式中：N——受试样品总数； n——被剔除的样品数。
如果Ｑ超过标准规定的上限值，则本批元器件全部不准上机，并按规定处理。 (2) 设计问题
首先是恰当地选用合适的元器件：
a.尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。 a. 多采用集成电路，减少分离器件的数目。 b. 开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。 c. 输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。
d. 应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器 件 e. 集成电路必须是一类品或符合MIL-M-38510、MIL-S-19500标准封装B-1 以上质量等级的军品。
f. 设计时尽量少用继电器，确有必要时选用接触良好的密封继电器。 g. 原则上不选用继电器，必须保留的应进行固封处理。
h. 吸收电容器与开关整流管的距离应当接近，因流过高频电流，鼓易升温， 所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。
2.2 技术指标含义
2.2.1 含义
1）稳压系数
稳压系数有绝对系数和相对系数两种。绝对系数表示 负载不变是，稳压电源输出直流变化量Uo与输出电压变换量Ui 引起多大的输 出电压的变换，所以绝对稳压系数K值越小越好，K小时说明同一UI引起的U0越小，也就输出的电压
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越稳定，这种表示方法在工程设计中常用到，但是稳定电压中更重视相对稳压系数。相对稳压系数S表示在负载不变时，稳压器输出直流电压Uo的相对变化量△Uo与输入电网电压Ui的相对变化俩量△Ui之比即S=△Uo/Uo/△Ui/Ui，一般不特别说明，稳压系数通常是指相对稳压系数S，而不是绝对稳压系数K。
2）输入电压调整率
输入电压调整率用于衡量当负载和环境不变时，因输入电压的变化而引起的输出电压的改变。它是一个直流参说，不包括输入电压纹波或瞬间变化电压产生的影响，通过在输入端串联一个预置稳压器或一个低成本的RC滤波器，既可有效的改善总体的输入电压调整率。
3）导通建立时间
导通建立时间是指系统加电后基准输出电压达到稳定的时间。该参数对于采用电池供电的便携式系统来说是重要的，因为这类系统为节省电能，长时间或间隙方式供电。
2.2.2负载对输入电压影响的几种指标形式
1）负载调整（也称电流调整率）
在额定电压下，负载电流从0便到最大时，输入电压的最大相对变化量，常用百分说表示，又是也用绝对变化两表示。
2）输出电阻（也称等效电阻）
在额定电网电压下，由于负载电流变化△Il引起输出电压变化△Uo，则输出电阻为Ro=|△Uo/△Il|
3）最大波纹电压
在额定输出电压和负载电流下，输出电压的波纹（包括噪声）的绝对值大小，通常一峰——峰值或有效值表示。
4）纹波系数R(%)
在 额定负载电流下，输出波纹电压的有效值Ums与输出直流电压之比
5) 波纹电压抑制比
波纹电压抑制比是指在规定的纹波频率（例如50HZ）下输入电压重的纹波电压Ui与输出电压中的纹波电压Uo之比，即纹波电压抑制比＝Ui/Uo
6)温度漂移合温度系数
环境的温度变化影响元器件的参说得变化，从而引起稳压器输出的电压变化，称为温度漂移。常用温度系数表示温度飘逸的大小，温度每变化一度引起输出电压只得变化△Uo称为绝对温度系数，单位是V/℃或mv/℃温度每变化一度引起的输出电压相对变化△U/Uo称为温度相对系数，单位％℃
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7)漂移
稳压器在输入电压负载电流和环境温度保持一定的情况下，元器件参说得不稳定也会造成输出电压得变化。慢变化叫做漂移，快变化叫做噪声，介于而这之间叫做起伏，在一般使用中只考虑飘逸就可以了。
表示漂移的方法有两种。一种是在指定时间内输出电压之的变化△U；另一种是用在指定时间那输出电压的相对变化△Uo/Uo,考虑漂移的时间可以定为、1min,10min,8h或更长。只有在精度较高的稳压器中，才有温度系数和温漂系数两项指标。
2.2.3 三个重要质量指标
（1）电压调整率S
电压调整率又称之为稳压系数，用S表示。若由于输入电压Vs的相对变化而引起的输出电压的相对变化，则定义为在负载电流和环境温度不变的情况下，输出相对变化与输入相对变化的比值。S的大小反映了一个稳压电源克服输入电压变化影响的能力。显然S的越小，即在同样的输入电压条件下，输出电压变化越小，即电源稳定性越好。通常S的值在1%～0.01%范围内。 （2）负载调整率（输出内阻R0）
负载调整率又称电流调整率，它是在规定输入电压下，用负载电流从零（空载）到最大值（满载）时，输出电压的相对变化率来表示的。负载调整率也可用动态输出内阻R0来表示。若负载电流的变化引起输出电压的变化，则R0定义为在输入电压及环境温度不变的条件下，V0与I0的比值。R0反映了负载变动时，输出电压V0维持稳定的能力。显然，R0越小，则当I0变化时，输出电压变化越小，即越稳定。
（3） 输出纹波电压V01
整流输出的纹波电压Vs1，经过稳定电压的稳压作用，使稳压电源的稳波输出电压V0大大地降低。而稳波输出降低的程度与稳压电路的稳定系数S有关，其关系式V01=S*V0*Vs1/Vs.
2.2.4 PCB布局和布线的要点
（1）开关导通和关断都存在一个电流环路，这两个环路都是高频、大电流的环路，所以在布局和布线时都要将此二环路面积设计得最小。用于反馈的取样电压要输出电容上引出，并注意芯片或开关管的散热。
（2）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
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