快快乐乐跟我学开关电源设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流快快乐乐跟我学开关电源设计2帖armecos工兵7四2009-06-09 10:42变压器设计心得 2009/05/26asdjf 开关电源设计中最困难的是变压器/电感线圈设计制作和PCB Layout及结构外壳加工,其他部分可能就是标准单芯片解决方案电路,照着参考电路抄即可.PCB Layout决定电源的EMI性能、热性能,对此感兴趣的读者可以参看增值包系列-快快乐乐跟我学高速PCB设计.下面主要说说DIY绕制变压器/电感线圈的心得体会. - 变压器原理 - 当我们把导线插入220V电源插座,就会发生短路现象,可是插入变压器就不会,区别就在

2、于变压器原边的线圈导线是绕在铁芯上的,难道仅仅因为多了个铁芯,导线就失去短路作用了吗?是的,导线插入铁芯后就变成了电感线圈,根据楞次定律:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,(注意:“阻碍”不是“相反”,原磁通量增大时方向相反,原磁通量减小时方向相同;“阻碍”也不是阻止,电路中的磁通量还是变化的.)变压器原边将产生一个大小相等,方向相反的反向电动势抵消输入的220V电压,导线中仅有微弱的励磁电流流过(维持磁场需要有一个电流),所以,导线失去了短路作用. 如果真是这样,那么在铁钉上绕几圈漆包线,再把导线插入220V电源插座,是不是就不会短路了?肯定会短路的.原因就是铁芯磁饱和了,

3、无法产生反向电动势抵消输入电压,此时,导线还是相当于短路线.拆开变压器,可以看到,线圈匝数很多,额定功率越大的变压器,铁芯体积越大,其中的原因就是为了让变压器工作在变压器状态,而不是进入磁饱和状态. 也就是说,我们实际中使用的变压器都是非理想的,有可能进入磁饱和状态,从而失去变压器功能.我们设计变压器的目的就是保证在额定电压,额定功率下,变压器正常工作.如果真的存在理想变压器就不需要我们设计了. - 变压器设计 - 除了满足正常工作的要求外,变压器设计还要满足:体积、重量、温度、成本等要求,所以,实际变压器的设计可不是一件容易的事情.书本上的理论分析全都是用的理想变压器,书上说变压器可以实现变

4、压、阻抗匹配、隔离等等功能,但是隐含前提是变压器工作在变压器状态,如果饱和了,那就没有这些功能了. 一个实际变压器还存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升(铜损、铁损)等等问题,根据不同的变压器类型,有些参数不能忽略. 制作变压器我们需要知道以下信息: 1、磁芯规格(磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料) 2、匝数与导线规格(原副边匝数、导线直径) 3、损耗与温升 4、导线结构:多股线或扁平线 5、绕组结构:多层或分段饶制 6、端空设计:按绝缘电位设计端空 磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点.一般功率决定横截面积大小,功率越大,横截面积越大.有经验公式可以快速根据功率确定横截面积,也可以直接

5、查表. 磁芯材料确定后,根据其特性曲线,我们要选择合适的工作点B0.B0太大会导致磁饱和,太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、成本高. 当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后,就可以计算出每伏匝数,用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数.进而可以求得副边匝数. 导线直径取决于电流密度,而电流密度又取决于电压调整率或温升,受二者共同约束,哪个约束条件算出来的J值小,就选择哪个J值.J值小肯定不会有温升/电压调整率问题,但也不是越小越好,J小的话,导线直径太粗,铜重量大、体积大、成本高,有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸,根本无法绕制. 电流密度J和温升有什么关系呢?很多初学者可能想到去查书,

6、其实,变压器设计是一项实践性很强的工作,理论派这时已经玩不转了,此时需要大量实践经验.也有人可能会抱怨资料不足,这不是问题,没有资料可以做实验得到.就象没有DIP器件封装数据,你完全可以直接用尺子量出引脚间距来.不知道程序出错原因,完全可以通过调试找到. 温升和铜损铁损有关,和散热条件有关,带散热片的温度就低,散热片上有风扇的温度更低,风扇转速快的肯定温度又要降低了.此外,还和外部环境温度有关,在南极零下50度,温升就不是问题,在赤道沙漠里,温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移,进而磁饱和,失去变压器功能.总之决定温升的因素很复杂:管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、

7、表面积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升. 因此,电流密度J和温升的关系只能凭经验确定了.一般通过经验公式确定.所谓经验公式是指:通过一系列结果可重复的实验,得到数据曲线,使用数值分析方法多项式拟合,得到经验公式.此公式在我们的经验范围内正确,可以准确预测结果,可以重复验证.注意:经验公式存在局限性,如果预测结果不对,就需要再次修正经验公式,增加我们的经验.由此可知,经验越多,越不容易出错,想要设计好变压器需要积累大量经验. 毕竟,变压器是一种商品,我们没有必要每次都从头设计,那样太浪费时间.此时,利用表格、EXECL电子表格、经验值可以大大加快设计速度. 比如:可以规定电流

8、密度J选2.5A/平方毫米,内绕组J适当降低,外绕组J适当提高,散热好的甚至可以达到10A/平方毫米,这样就不用详细计算了. - 变压器类型 - 电源(工频)变压器 最常见的变压器,输入220VAC 50HZ,输出各种直流电压. 因为频率低,基本不考虑分布参数,可以乱绕. - 隔离变压器 变比一般为1:1,主要目的是隔离.因为市电零线接大地,人碰到热底板上的零线相对还算安全,一旦碰到火线,就会和大地形成回路,导致触电.经过变压器隔离后,人单独碰到任何一根线都不会触电,两根线对地浮空,都不会和大地形成回路,电压只存在于两根线之间,所以安全. - 音频变压器 输入变压器 级间变压器 输出变压器 线

9、间变压器 匹配变压器 调幅变压器 电子管/晶体管收音机/音响中,需要在各级放大电路之间增加变压器进行阻抗匹配和谐振,使得后级获得最大输出功率.收音机里的变压器俗称中周. 音频变压器中的频率较高,不能忽略分布参数,而且,要把晶体管输入输出电阻折算到变压器中.一般先抽象出一个等效电路,再简化,然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值.有了这些信息,就可以计算出功率,进而得到横截面积,线圈匝数,导线直径等等变压器绕制参数.这样我们就可以得到满足分布参数要求,能够工作在变压器状态(不饱和),具有正确阻抗变换功能的变压器了. 为什么三极管集电极接在中周的中间点? 这种部分接入的主要目的是减小三极管输

10、出电阻rce对谐振阻抗及Q值的影响. 设中周的中间点到直流电源点的圈数为n1,中周初级线圈总圈数为n2,变比n=n2/n1,当rce并连到n1线圈时,折算到n2线圈将是rce的n方倍,使谐振阻抗及Q值只有少量下降,保证了足够的电压放大倍数和选择性指标. 早期的电子管收音机中,由于电子管的输出阻抗极大,根本不用考虑这个问题,所以在电子管电路中就不存在“接中周中间点”的接法. 大部分人做过收音机,但是很少人自己设计绕制中周和输入输出变压器,现在学习了音频变压器设计,你就可以自己绕了,再不用担心买不到合适的中周变压器了,哈哈.注意:音频变压器对工艺要求较高,不太容易成功.另外,玩胆机(电子管)音响的

11、朋友更是需要自己绕变压器了,尽管电子管和晶体管有点差别,但是学习了以上内容,自制变压器就不是难事了. - 脉冲变压器 我们在8019网卡芯片中就用到了脉冲变压器,起隔离作用,变比1:1.想不想知道这种变压器是怎么设计的呢?想不想自己绕一个呢? 其实脉冲变压器也是变压器的一种,只不过脉冲波含有大量频率分量,不能忽略分布参数影响,绕制工艺要求高,一般也要先抽象出一个等效电路,再简化,然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值.与音频变压器不同的是,其约束条件参数不一样.脉冲波形参数约束条件有:峰值脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲上升时间、脉冲下降时间、顶降、脉冲顶峰、过冲、反摆、回摆、恢复时间.根据

12、这些信息,就可以计算出功率,进而得到横截面积,线圈匝数,导线直径等等变压器绕制参数.这样我们就可以得到满足分布参数要求,满足脉冲波形参数约束条件要求,能够工作在变压器状态(不饱和),能够正确传递脉冲能量(脉冲波形变化符合要求)的变压器了. 哈哈,本站的51 + 8019上网卡可以不用汉仁的隔离变压器了,自己绕一个吧,工艺处理好的话,完全不成问题,DIY的乐趣更大了. - 开关电源变压器 - 特种变压器 稳压变压器 霓虹灯变压器 微波炉变压器 机场助行航灯光用变压器 超隔离变压器 传输线变压器 - 铁芯电感器 电源滤波扼流圈 交流扼流圈 电感线圈 镇流器 超声换能器用匹配电感 铁氧体磁芯电感 -

13、 回复2帖3帖armecos工兵7三2009-06-09 10:56快快乐乐跟我学高速PCB设计 2008/04/28asdjf “12层电路板怎么画啊?” “2.5GHz的高速电路怎么布线才能稳定工作?” “BGA芯片下面怎么布线?孔怎么打?线宽如何确定?” “我想做i-ram2,但是以前只画过SDRAM,不知道DDRII电路怎么布,咋办?” “如何画手机主板?PC机主板?PCI采集卡?通信背板?ARM9核心板?千兆网络接口?” . 随着技术的不断发展,高速多层电路越来越流行,学会这项技术就意味着更高的薪酬,更好的发展前景,即使是低速电路,由于芯片工艺的进步,信号边沿越来越陡峭,也需要按照高

14、速电路来分析,但是,目前国内大多数硬件工程师都属于“自学成材”,没有经过专业系统的训练,再加上有些技术属于“概不外传”的绝招,导致初学者没有设计思路,面对复杂的高速电路一头雾水,看不懂图纸,不知如何下手.下面我将高速PCB设计经验和心得体会系统地呈现给大家,希望能对你有所帮助. 简单说,画PCB就是画画儿,画一些点、线、面几何图形,研究其抽象的拓扑结构.然而,为了画PCB,我们还要做些额外的辅助工作:体系架构设计;IC/FPGA设计;绘制原理图;生产;测试;模具.高速PCB更是需要复杂的信号数学模型来指导我们的设计,绝不是一件简单的工作.好的PCB要:可靠、可生产、可测试、可维护. = | 点

15、 | = 观察PCB上的图形,首先会注意到存在大量的“点”,包括: 过孔 引脚焊盘 MARK点 ICT测试点 安装孔 . 这里要谈的内容是:盲孔、埋孔、过孔;过孔会引起阻抗不连续;过孔载流量和周长的关系;板厚孔径比;BGA下的过孔;多个过孔共享一条线;金属化与非金属化;中心孔、焊盘、热焊盘优选尺寸(电地完整性);MARK点的识别、共享,何时需要MARK点;ICT定位孔要求;ICT测试点要求;多点接地;马蹄形孔(跑道孔);堵绿油工艺;点线间距;十字花盘. = | 线 | = 其次,你会看到大量的“线”,线的属性有: 长、宽、高(厚) 线间距 导角 传输线模型 延迟 . 这里你要知道的是:最大/最

16、小线长度;等长线;线宽和阻抗的关系;线宽铜厚温度和载流量的关系;3W规则;1盎司铜重相当于多少um;圆弧走线;微带线和带状线;表面信号线和板内信号线的延迟时间(ps/英寸). = | 面 | = 最后,关于“面”,就是布局. 布局的关键是先确定固定的接口接插件位置,再根据冷热、高速低速、重要次要均衡分布原则调整各元器件位置. = | 拓扑结构 | = 了解了点线面就可以开始布局了,常用的拓扑结构有: 星型 菊花链 树枝 点对点 . 各种结构各有优缺点、限制条件和适用范围,我们会详细论述. = | 层叠结构 | = 在画板之前要先确定层叠结构,这里我们会举例说明4层、6层、8层、16层板的层叠方

17、法,以及通过一个4层板说明如何辨别层叠的好坏.部分内容如下: 首先,要划分层叠结构,为了方便设计,最好以基板为中心,向两侧对称分布,相临信号层之间用电地层隔离. 层叠结构(4层、6层、8层、16层): 对于传输线,顶底层采用微带线模型分析,内部信号层用带状线模型.6层/10层/14层/18层基板两侧的信号层最好用软件仿真,比较麻烦. 6层/10层/14层/18层等基板两侧是信号层,没有电地隔离,需要注意相临层垂直走线和避免交流环路. 如果还有其他电源,优先在信号层走粗线,尽量不要分割电地层. =玻璃纤维基板 -FR4绝缘介质材料 S(*) 信号层(层号) TOP顶层信号层 BOTTOM 底层信

18、号层 TOPTOPTOPTOP - GND2 +5V+5V +3.3V =- +5VS3 S3S3 -=- BOTTOMS4 GND4 GND4 -=- GND5 GND5S5 - BOTTOMS6+1.5V - +3.3VS7 - BOTTOMGND8 = GND9 - S10 - +1.0V - S12 - GND13 - S14 - +1.8V - BOTTOM 一个四层板的层叠设计方案,确定哪种最好: 第一种 第二种第三种 Layer1Signal GndGnd Layer2Gnd/PwrSignal/Pwr Signal Layer3Pwr/GNDSignal/Pwr Signal

19、Layer4Signal GndPwr 更多内容可以看文章中心里的PCB多层电路板设计与制作指导. = | 电地分割 | = 在电源种类比较多的情况下,就需要在同层开槽分割电地平面,分割导致电流回流路径被阻断,跨越分割的线上阻抗不连续,如何减少分割的影响呢?这里给出若干解决方法.有时,分割的影响是有益的,例如:RJ45网络插座变压器下面的分割可以减少网线上传导的干扰,此时,我们就要充分利用分割的优点. 一些相关内容: 正片/负片、压差、分割区内走线,完整电地平面. FR4-2.5G-5G Rogers-10G = | 接插件 | = 这个有什么可讲的,不就是一些2mm欧式插座,PMC插座之类的

20、东西嘛!其实,接插件的学问可大了,为什么有些人设计的板子不稳定?为什么抗干扰能力差?有部分原因就是由接插件引起的. 首先要注意的就是引脚排布,重要信号线两边放什么,对端放什么,高速信号线周围放什么信号,特别讲究.有些人在时钟信号线对面放高速信号;1A电流只用一两根引脚接入;重要信号线周围不分配多余的保护地线等等,如果引脚分布不合理,即使板子内部设计得再好,也不能保证整个电路稳定工作.光引脚分布合理还不成,下面的引出线也大有讲究,就拿电源引脚来说,虽然为1A电流分配了多个引入脚,但是怎么把这个电流引到板子上呢?过孔打几个,线多粗,如何保证电地通道完整性?要不要铺铜?等等. 其次,要注意封装.你知

21、道有几种封装呢? 一种是丝印封装,就是印在板子的器件外型丝印,这个照着手册就可以画出. 有人倒是按照手册画出了丝印封装,但是做回板子后器件却装不上,原来该器件的外型比丝印大,其他小器件被焊接在这个器件下面了,这就是第二种封装-外型封装. 器件终于被安装到板子上了,可是接头却比插座大,因为周围器件影响,插不上.这就是忽略接头封装造成的后果. 即使接头封装合适,能插在牛头插座上,但是牛角打开后会占用更大的空间,两个牛头插座靠得太近的话,可能卡子打不开,这是忽略工作封装的后果. . 封装共有九种之多,你知道几种呢?如果你知道的不全,是不是就不敢保证“一版成功”?光少做几版省下的钱就够你参加几次培训的

22、了,是不是? 最后,要了解到底是压接好还是焊接好?内存条平插、斜插、竖插哪种好?(从占用空间大小、散热、稳定性等方面考虑) 一些插座类型:PMC、PCI、CPCI、DIMM、SODIMM = | 其他重要内容 | = 限于篇幅,有些非常重要的内容这里只简单概括地罗列一下: 时钟-这是非常重要的内容! 源同步时钟模式;公共时钟模式:建立/保持时间 始端匹配;终端匹配;点对点 时钟分配驱动:0 jitter抖动;0 delay延时;环回;电压;频率上限 晶体、晶振布线要点 时钟线长度、线宽、线延时、线间距,周围留出空间,圆弧走线 频率、精度 电源-功率(标称、额定、最大、平均、峰值) 上电时间 上

23、电顺序:现在复杂CPU芯片上电有顺序要求 纹波 种类:core、I/O、AVCC/AGND、PLL供电 上电复位 板上位置(噪声、散热、结构) AC/DC、DC/DC、LDO线性(从功耗、响应速度、电路简单性、噪声、适用性等几个角度考虑) 滤波,电流大小、线宽,分割,层叠结构 复位-上电复位 电源监控 手动复位 看门狗 系统复位、全局复位、局部复位 FPGA加载控制与全局复位 总线-总线架构优于CPU选型 效率、健壮性 PCI、PCI-X、ISA、PCMCIA、LVDS、serial BUS 内存种类:cache、SDRAM、DDRI、DDRII、flash、bootrom、NVRAM、SRA

24、M等 接口-接口效率优于CPU选型 常用接口: RS232、RS485、V.35、E1 HDLC 百兆、千兆、POS接口:MII、RMII、SMII、GMII、TBI(serdes)、UTOPIA I/II 光口:单模/多模、SFP/GBIC CPU-位宽:32bit、64bit CISC、RISC、MIPS Network Processor 多核CPU:如:IBM cell 性价比 效率 OS 散热 功耗 电源种类,上电顺序 加载顺序 仿真头(大众流行) 产品周期 供货情况 规则-环路面积、3W规则、20H规则、正交规则、5-5规则、单点/多点接地. BGA-BGA器件与其他器件的间距 B

25、GA下面的孔和线怎么布 BGA电地通路,孤铜 去耦电容分布、反面器件分布 . 背板-板厚,板厚孔径比 汇流排 加强筋 插座 位置定位 布线要求,时钟同步 热插拔 . 其他-中断、上下拉电阻、看门狗电路、跳线、金手指、EMI/EMC/ESD、FPGA/CPLD、匹配、波峰焊工艺、散热、各种地的概念、热插拔、夹具留边,器件间距. jitter、delay、ring振铃、crosstalk串扰、反射、地弹 电阻、电容、电感、磁珠、晶体、变压器、光耦. 最小化电路、检查列表checklist 从设计到生产的设计流程,所需数据 产品生命周期 例如:电阻的阻值是离散的,有标称阻值,允许偏差,注意额定功率和

26、使用电压,材料,工艺,制作方法,特殊用途,色标等.电阻器的主要用途有1、限流;2、分压;3、定时;4、电流电压变换;5、阻抗匹配;6、改变电路参数;7、测温或温控;8、特殊电阻应用(过流、过压、过热保护). 0欧电阻用途? 为什么电源脚同时并联一个大电容和一个小电容?为什么并联两个容量相同的电容? 磁珠的使用场合,参数,陷波作用. 变压器初次级隔离. LVDS设计经验谈,如何布LVDS差分线,如何放置匹配电阻? PECL电平电路设计 . = | PCI板卡布线参考 | = PCI总线具有自动配置功能,数据带宽大,广泛应用于数据I/O设备,下面以PCI采集卡为例说明如何综合使用前面所讲内容. 好

27、多人画板都是直接抄别人,其实,看看框图就可以了,比如:有些板子参考设计上使用了bootrom/flash,为了方便生产,可我不一定用啊,那就不能直接抄了. PCI卡上有三种电源:3.3v、5v、12v,怎么分割电源层呢?怎么样才能保证电地平面完整呢?12v用于风扇属于低速信号,如何布低速高压电源信号呢?我们会教你一种巧妙方法满足所有条件,还不降低性能. PCI的元件只能放在B面上,板厚不能超过1.6mm,否则插不进去.中断线可以共享.正面线不打孔,背面线只打一个孔.clock线约束为小于等于2.5,其他线为小于等于1.5.中断复位线可以走很长. 因为卡槽接触点在金手指中间,所以要在接触点以下分

28、割电地,不要在上面分.以金手指中间为界向下铺电地. 时钟和其他信号线间距要够大,可以在其附近走低速复位线.走线要算总长,PCI很皮实,即使不满足要求,也可能正常工作. 更多内容,我们最好看图讲比较好. = | DDRII布线参考 | = DDRII内存比传统的SDRAM内存速度快,功耗低、价格便宜,它采用源同步数据选通信号和数据同传方式,在选通的上下边沿都采样数据,所以,性能得到大幅提升. 虽然,使用DDRII内存能带来很大的好处,但是,必须在图纸和PCB设计阶段小心处置,以便确保真正实现所需性能.DDRII设计给板级设计人员带来了一系列原来在SDRAM设计时未曾遇到过的新的挑战:更小的建立/

29、保持时间;更清晰的参考电压;更严格的线长匹配;新的I/O信号(SSTL-2);正确地端接要求. 硬件工程师面临的挑战可以归纳为以下几点: 1、布线要求高; 2、电源的供给和去耦要求,包括:DDRII芯片和控制器、VTT、VREF; 3、针对给定内存拓扑结构的正确端接. 我们将讨论下面的几种情况下如何布线: 1、单条/多条DIMM-register,unbuffered 2、单条/多条SODIMM-register,unbuffered 3、直接焊接在板子上的内存颗粒 4、混合型-内存颗粒加DIMM扩展槽 DDRII信号可以分为5组: 1、时钟:差分 2、数据 3、地址/命令 4、控制 5、反馈

30、信号 我们在课上将详细研究DDRII的布线方法,用DDRII布线来演示如何融会贯通地使用前面讲到的各种知识. 有兴趣了解更多知识的网友可以看看ecos增值包里的DDR2 SDRAM 和嵌入式系统,SDRAM和DDR布线指南. = | 划分系统模块的分析方法 | = 大家知道,医学上为了更好地研究人体,把人分成了几大系统:血液循环系统、呼吸系统、神经系统.同样地,如果把电路划分成几个功能模块分别加以研究解剖,那么就可以更深入地理解电路功能,更快地发现问题. 比如:单独把电源系统拿出来研究,你会清楚地看到各种电压的电源之间的连接关系,电源线的粗细.电源系统就相当于血液循环系统,如果线太细,不能承载

31、所需电流,那就是血管狭窄. 再比如:中断系统就相当于神经系统,单独摘出来研究,你可以清楚地看出他们之间的关系,如果中断出错,那就得了神经病,呵呵. 我们可以独立出:复位系、时钟系、电源系、中断系.就象照X光片一样,通过划分功能系统,我们能一眼看出问题所在. 你可以用这种X光机分析一下自己的板子是不是有“心脏病”,“先天性血管狭窄”,“神经错乱”,“骨骼发育不良”.呵呵,是不是很有意思! 感兴趣的网友可以看看ecos增值包里的EasyARM2200硬件设计的几点改进意见文档. = | 事故记录和总结 | = 1、某公司量产20000块8层通信板,现场调试发现上电后有一半工作正常,一半死机,原因不明.如果报废一半板子则损失惨重,即使留下的正常板子也无法确定是否能一直正常工作.遇到这种情况,必须彻底查明原因,因为硬件工