开关电源有哪些电流回路？设计时要注意什么？

Release time：2025-09-05
author：AMEYA360
source：网络
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　　在电子设备中，开关电源是核心供电部件，其电流回路设计直接影响电源性能与电磁兼容性。如果你想要优化电源设计，了解开关电源的电流回路构成及设计要点是很有必要的。

开关电源有哪些电流回路？设计时要注意什么？

　　01 开关电源的电流回路有哪些?

　　电源开关交流回路：此回路中，电源开关频繁导通与关断，产生高幅梯形电流，含有大量高次谐波，频率远超开关基频，峰值幅度可达持续输入或输出直流电流的 5 倍，过渡时间约 50ns。

　　输出整流交流回路：输出整流器将交流转换为直流，同样存在高幅梯形电流，谐波丰富，频率特性与电源开关交流回路类似，是电磁干扰的重要来源。

　　输入信号源电流回路：通过近似直流的电流对输入电容充电，输入滤波电容起宽带储能作用，为电源提供稳定的输入电流。

　　输出负载电流回路：输出滤波电容储存来自输出整流器的高频能量，并消除输出负载回路的直流能量，为负载提供稳定的直流电。

　　02 设计注意事项

　　滤波电容接线端处理：输入和输出滤波电容的接线端十分关键，输入及输出电流回路应仅从滤波电容接线端连接到电源。若输入/输出回路与电源开关/整流回路间的连接无法直接与电容接线端相连，交流能量会从滤波电容辐射到环境中，引发电磁干扰。

　　交流回路优先布线：电源开关交流回路和整流器的交流回路最易产生电磁干扰，在电源印制线布线时，需优先布置这两个交流回路。

　　元件合理布局：每个交流回路中的滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器这三种主要元件应彼此相邻放置，尽量缩短它们之间的电流路径，以降低电磁干扰和回路电感。


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一文详解为什么开关电源在空载或轻载时无法正常启动或工作不稳定
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一文详解为什么开关电源在空载或轻载时无法正常启动或工作不稳定

　　开关电源是现代电子设备中常用的电源供应方式，但有时在空载或轻载情况下可能出现无法正常启动或工作不稳定的问题。本文将探讨这种现象背后的原因和可能的解决方法。　　1. 开关电源基本原理　　1.1 工作原理　　开关电源通过高频开关元件进行快速切换，将输入电压转换成稳定的输出电压，以供给各种电子设备使用。　　1.2 控制电路　　开关电源内部包含控制电路，负责监测输入电压、负载情况等参数，并调节开关元件的工作状态，以保持输出电压稳定。　　2. 为何在空载或轻载时出现问题?　　2.1 最小负载要求　　开关电源一般需要一定的最小负载才能正常工作，如果在空载或负载较轻的情况下，可能无法维持正常的工作状态。　　2.2 控制电路失效　　当负载较轻时，控制电路可能无法准确检测输出电压波动，导致无法正确调节输出，从而造成工作不稳定。　　2.3 谐振频率问题　　高频开关元件的谐振频率需要匹配负载，如果负载过轻，可能无法达到合适的谐振频率，影响电路稳定性。　　3. 解决方法　　3.1 增加最小负载　　可通过添加电阻等方式增加最小负载，使开关电源能够在空载或轻载情况下正常工作。　　3.2 优化控制电路　　对控制电路进行优化，提高对输出电压变化的检测灵敏度，确保在各种负载情况下都能稳定工作。　　3.3 调整谐振频率　　根据负载情况调整谐振频率，使其更好地适应当前负载状态，提高电路稳定性。　　4. 案例分析　　4.1 某型号开关电源　　在某型号开关电源中，发现在轻载时无法正常启动或工作不稳定，经过分析发现是由于最小负载要求不符合导致的。　　4.2 解决方案　　通过增加最小负载的方式，成功解决了该型号开关电源在空载或轻载时的工作异常问题，确保了其正常稳定运行。　　开关电源在空载或轻载时无法正常启动或工作不稳定是一个常见问题，可能由最小负载要求、控制电路失效或谐振频率问题等多种因素引起。通过增加最小负载、优化控制电路和调整谐振频率等方法，可以有效解决这类问题，确保开关电源的正常运行和稳定性。
2025-12-18 14:26 reading：222
开关电源PCB设计中不可忽视的6大关键步骤
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开关电源PCB设计中不可忽视的6大关键步骤

　　在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析。　　1、原理图到PCB的设计流程　　2、相关参数设置　　相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些，最小间距至少要能适合承受的电压。在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。　　焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而且走线与焊盘不易断开。　　3、布局环节　　实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。　　例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降。因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。　　每一个开关电源都有四个电流回路：　　◆ 电源开关交流回路　　◆ 输出整流交流回路　　◆ 输入信号源电流回路　　◆ 输出负载电流回路　　通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用;类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。　　所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源;如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。　　电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。　　这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路。每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。　　建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：　　1)放置变压器　　2)设计电源开关电流回路　　3)设计输出整流器电流回路　　4)连接到交流电源电路的控制电路　　设计输入电流源回路和输入滤波器、设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：　　● 首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加;过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。　　● 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。　　● 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接，去耦电容尽量靠近器件的VCC。　　● 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。　　● 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。　　● 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。　　● 尽可能地减小环路面积，以抑制开关电源的辐射干扰。　　4、布线环节　　开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用。印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。　　因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。　　印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。　　根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。 同时使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。　　接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。　　5、设计检查　　布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求。一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。　　电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。注意： 有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错;另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。　　复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。　　6、设计输出　　输出光绘文件的注意事项：　　● 需要输出的层有布线层(底层)、丝印层(包括顶层丝印、底层丝印)、阻焊层(底层阻焊)、钻孔层(底层)，另外还要生成钻孔文件(NC Drill)　　● 设置丝印层的Layer时，不要选择Part Type，选择顶层(底层)和丝印层的Outline、Text、Line。　　● 在设置每层的Layer时，将Board Outline选上，设置丝印层的Layer时，不要选择Part Type，选择顶层(底层)和丝印层的Outline、Text。
2025-11-17 15:59 reading：396
开关电源的常见术语
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开关电源的常见术语

　　● 拓扑结构(Topology)　　开关电源的拓扑结构，是指功率变换的电路结构，不同的电路结构可以实现不同的电源变换。　　● 开关电源/开关电源稳压器(Switching Mode Power Supply/ Switching Regulator, SMPS)　　一种基于晶体管或MOSFET工作在高频“开”“关”状态，配合电感、电容等储能元件实现电压转换与稳定的电能转换电路或设备。其核心原理是利用反馈控制(如PWM脉宽调制或PFM脉频调制)动态调整开关的占空比或频率，从而将波动的输入电压转换为精确稳定的直流输出电压。　　● 线性电源/线性稳压器(Linear Regulator)　　线性电源或线性稳压器，以线性模式操作双极性或场效应功率晶体管(MOSFET)，使得其工作在线性放大区，调节得到稳定的输出电压的一种电源类型。　　● 静态电流(Quiescent Current, IQ)　　IQ是未输送给负载的直流偏置电流。器件的IQ越低，则效率越高。然而，IQ可以针对许多条件进行规定，包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，为了确定某个应用的最佳降压调节器，最好查看特定工作电压和负载电流下的实际工作效率数据。　　● 关断电流(Shutdown Current)　　这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，对低功耗降压调节器来说通常远低于1 μA。这一指标对于便携式设备处于睡眠模式时电池能否具有长待机时间很重要。　　● 电流纹波系数 r　　电流纹波系数(Current Ripple Factor)，指开关电源电路中流过电感器的纹波电流 ∆I_L 与直流电流 I_(L,DC) 的几何比例。　　● 纹波电流(Ripple Current)　　通常指功率电感上的纹波电流，又叫做峰峰值电流(peak-to-peak ripple current)，其理论值定义为功率电感上直流电流的r倍。　　● 纹波电压(Ripple Voltage)　　在直流电源输出中，由于整流滤波不完全或开关电路的高频切换，叠加在直流电平上的周期性交流成分。其幅值与输出电容的ESR、容量、电感电流波动、开关频率等因素相关，通常以工频或其整数倍频率(如50Hz/100Hz)或开关频率为主成分，并可能包含高频噪声。　　● 占空比(Duty Cycle)　　在开关电源电路中，占空比是开关管导通时间与开关周期的比例，用于调节能量传递效率及输出电压。　　● 开关周期(Switching Cycles)T_SW　　在连续导通模式下，指功率开关器件(如MOSFET)完成一次完整导通(ON)和关断(OFF)动作的时间间隔。与开关频率(Switching Frequency)互为倒数关系。　　● 导通时间 T_ON　　降压型开关电源电路中，除非特殊说明，这里特指高边开关管处于导通状态的持续时间。　　● 关断时间 T_OFF　　降压型开关电源电路中，除非特殊说明，这里特指高边开关管处于关断状态的持续时间。注意，这里的关断时间是针对高边开关管而言的。　　我们知道，在同步降压型开关电源电路中，忽略死区时间的话，高边开关管处于关断状态，就对应着低边开关管是处于导通状态的。所以，此处高边开关管的关断时间 T_OFF 就对应着低边开关管的导通时间 T_(LS,ON) 。　　● 开关频率 F_SW　　指功率开关器件(如MOSFET)在单位时间内完成导通(ON)与关断(OFF)动作的循环次数，数学上定义为开关周期的倒数，是开关电源的核心参数。　　● 最大负载电流(Maximum Load Current)　　又叫额定输出电流(Rated Output Current)，指开关电源电路能够提供的最大或额定电流能力。　　● 最小负载电流(Minimum Load Current)　　有时，在某些特殊应用场合需要将BUCK电路默认在CCM连续导通模式下，可以通过在输出端增加一定阻值的电阻实现，该电阻就被称为“假负载(Dummy Load)”。　　● 输入功率(Input Power)　　直流开关电源输入端的功率，等于输入电压与输入电流的乘积。　　● 输出功率(Output Power)　　直流开关电源输出端的功率，等于输出电压与输出电流的乘积。　　● 损耗功率或功率损耗(Power Loss)　　在开关电源上最终以热量的形式损失的电源功率，数值上等于输入功率减去输出功率。　　● 效率(Efficiency)　　用百分比表示的总输出功率对有源输入功率的比率。通常在满负载、额定输入电压和25℃的环境温度时定义。　　● 等效串联电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)　　与理想电容串联的电阻值，它们一起模拟真正的电容的特性，是电容元件的特性参数之一。　　● 等效串联电感(Equivalent Series Inductance, ESL)　　与理想电容串联的电感值，它们一起模拟真正的电容的特性，也是电容元件的特性参数之一。　　● 启动电流或浪涌电流(Inrush Current)　　指电源电路或电气设备在接通输入电源的瞬间，因滤波电容快速充电而产生的瞬时峰值电流。其幅值远高于稳态输入电流，可能导致设备损坏或触发保护机制。　　● 输出电压精度(Output Voltage Accuracy)　　衡量输出电压实际值与目标值之间的偏差范围，通常使用百分比表示。如输出电压目标值是3.300V，精度是±5%，那么允许的输出电压最小值是3.300V * 95% = 3.135V，最大值是3.300V * 105% = 3.465V。　　● 线性调整率(Line Regulation)　　在特定负载电流条件下，当输入电压在额定范围内变化时，输出电压的变化量与标称输出电压的百分比比值。其值越小，表明电源对输入电压波动的抑制能力越强，是开关电源电路设计特性是否良好的评价指标之一，适用于LDO和DC-DC。例如，某BUCK标称线性调整率为0.3%/V，即输入电压每变化1V，输出电压仅波动0.3%。　　● 负载调整率(Load Regulation)　　在输入电压保持额定值的条件下，当负载电流从“空载变化到满载”或“满载变化到空载”时，输出电压的最大偏移量与额定输出电压的百分比比值。其值越小，表明电源对负载变化的适应能力越强。例如，某BUCK标称负载调整率为0.5%，即负载电流从0变化到最大值时，输出电压波动不超过额定值的0.5%。　　● 输入电压欠压闭锁(Under-Voltage Lock-Out, UVLO)　　一种电源保护机制，当系统输入电压低于预设阈值时，通过关闭电源输出或使芯片进入保护状态，防止电路在异常低电压下工作，这对于安全性要求很高的场景尤其重要。　　● 过温保护(Over-temperature Protection)或热关断(Thermal Shutdown)　　一种通过监测关键部件(如芯片结温)实现的安全机制。当温度超过预设阈值时，热关断电路就会关闭转换器，放置器件高温损坏。
2025-10-24 16:31 reading：455
提高开关电源效率的五个方法
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提高开关电源效率的五个方法

　　开关电源的功耗包括由半导体开关、磁性元件和布线等的寄生电阻所产生的固定损耗以及进行开关操作时的开关损耗。对于固定损耗，由于它主要取决于元件自身的特性，因此需要通过元件技术的改进来予以抑制。在磁性元件方面，对于兼顾了集肤效应和邻近导线效应的低损耗绕线方法的研究由来已久。　　为了降低源自变压器漏感的开关浪涌所引起的开关损耗，开发出了具有浪涌能量再生功能的缓冲电路等新型电路技术。以下是提高开关电源效率的电路和系统方法：　　一、通过ZVS(零电压开关)、ZCS(零电流开关)等利用谐振开关来降低开关损耗　　这种方法对于降低开关损耗极为有效，但问题是因峰值电流和峰值电压所导致的固定损耗将会增加。　　二、运用以有源箝位电路为代表的边缘谐振来降低开关损耗　　这种方法是为解决该问题而开发的有源缓冲器，是一种极为实用的ZVS方式。但是由轻负载条件下的无功电流所引发的效率下降问题却是其一大缺陷。　　三、通过延展开关元件的导通时间以抑制峰值电流的方法来减少固定损耗　　在这一种方法中，采用抽头电感器的方式是比较有效的，它能够应付由漏感所引起的浪涌现象。　　四、在低电压大电流的场合通过改善同步整流电路的方法来减少固定损耗　　两段式结构是实现同步整流电路高效工作的方法之一，它采用接近0.5的固定时间比率，并由前段的转换器来进行输出电压控制。它一反“两段式结构将导致效率下降”这一传统思维模式，在低电压大电流的场合非常有效。　　五、利用转换器的并联结构来减少固定损耗　　最后这种方法，既可将整个转换器电路进行并联，也可像电流倍增器那样部分采用并联结构。
2025-10-14 16:00 reading：422
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