开关电源设计在生产实习教学中的应用探索*

◆陈新兵 谢斌盛 胡维 张方樱 龙晓莉

作者：陈新兵，实验师，广州大学校实验中心电子信息实验室副主任，主要负责电工电子类实践课程的教学、建设与管理工作，长期从事省电工电子实验教学示范中心的内涵建设；谢斌盛、胡维、张方樱、龙晓莉，广州大学实验中心（510006）。

1 引言

生产实习是电类专业人才培养的重要环节，旨在帮助学生适应行业需求，向工程师角色转变。然而，一般企业不提供短期硬件设计开发类岗位，当前的生产实习观摩体验居多，学生参与深度不够，专业实践效果不佳[1-4]，产品设计与开发环节亟待加强。而工程案例的选取及其教学设计至关重要。

移动和便携设备的普及，以及新能源的推广，对电源效率、能耗、成本和体积的要求越来越高，反激式拓扑由于这些方面的优势[5]，在中小功率开关电源中得到广泛应用，相关应用研究方兴未艾。开关电源的设计，既涉及电路设计和电子工艺等应用问题，也涉及电子技术基本理论问题，有较好的工程应用和理论研究价值，对学生将来的工作生活和进一步深造都有帮助，具有一定的典型性，是生产实习教学改革的理想工程案例。下面从拓扑演进、典型应用、电路板设计和电子工艺方面介绍实习教学设计。

2 拓扑原型

从开关电源结构入手，简要介绍各类变换器拓扑原型，重点介绍Buck-Boost变换器及其工作原理，进而引出反激式电源设计，为后续讲解隔离式电源及其调节器设计奠定基础。

电源适配器是将不稳定的供电变换成负载所需的稳定直流输出，由使输出匹配的变换器和输出稳定的调节器构成，Buck、Boost和Buck-Boost拓扑是各类电源变换器的拓扑原型[6]，具有相似的电路形式，区别在于开关管、电感和二极管的拓扑位置（图1阴影部分）。

图1 拓扑原型——Buck-Boost变换器

图1 是一种Buck-Boost变换器，能量通过电感传输，其输出可高于或低于输入，因与输入极性相反，也称反转型变换器，是反激式电源设计的参考原型。该电源对供电要求不高，在新能源和LED照明中应用较广，对于后续反激式电源的理解与设计也非常关键。

Buck-Boost变换器工作原理：当开关管S导通时，电流流过电感线圈L，L存储能量；当S断开时，电感电流有减小趋势，产生自感电动势，电感电压极性反转，二极管D受正向偏压而导通，负载上有了电压输出Vo，电容C充能存储，以备S转至导通时放电维持Vo不变。

图2 反激式电源拓扑——PCM模式

3 反激式电源拓扑

从耦合电感入手，介绍反激式变换器的隔离作用，重点介绍反激式电源的调节器设计，必要时介绍一下反激变压器设计，最后结合电子技术理论，介绍一下各类应用问题，以便改进电路设计。

Buck-Boost变换器中的电感换为耦合电感，即成为反激式变换器（图2），利用耦合电感实现输入与输出回路间的电气隔离，提高安全性。图2阴影部分是调节器模块，根据原边反馈电流峰值，实现对功率管的开关控制，原边回路和副边回路交替导通。反激式变换器所需外接的元件很少，动态范围大，其输入可以是直流，也可以是整流后的交流市电，在中小功率电源中应用较多，也常用于LED驱动电源[7-8]。电路中的耦合电感，亦称反激变压器，由于其初级和次级电流并非同时出现，且都是单向的脉动直流，仅起到电感作用，称为耦合电感更为合适，能量变换服从安匝守恒。

反激式电源工作原理：当功率管S导通时，电流通过变压器原边绕组，电路电流线性上升，电能转变为磁能，储存于反激变压器中，原边电感电压为正，此时变压器次级的二极管反向偏置而截止，无电流，负载由先前被充电的输出电容C供电；当原边回路电流升至参考值Iref时，调节器关断开关管S，电感电压极性反转，二极管正偏使副边回路导通，储存在变压器中的磁能转变为电能，对输出电容C充电、储能，同时对负载供电。整个电路工作于DCM电流断续方式，改变开关管的开关频率、占空比和耦合电感，即可调节输出。

涉及的应用问题，既涉及变换器部分，也涉及调节器部分，学生可根据实际需要，改进电路设计。主要方面有反激变压器的制作、反激变压器的保护（RCD电路）、RS触发器的实现（基本门电路）、调节器芯片的软启动与供电设计、各类保护电路（隔离、短路、开路、欠压、过热）。

此外，消隐电路和时钟占空比的设计非常重要。为了防止误动作，在开关管闭合的尖峰期间应采取消隐措施，可以采用简单的RC滤波器消除尖峰，也可以使用单稳态电路（555定时器）进行前沿消隐。时钟脉冲占空比的设定，应使整个电源工作于DCM方式，避免出现RS触发器不定态的出现。

4 典型应用设计

以IC应用为目标是生产实习提高设计开发能力的关键。首先从调节器入手，介绍典型应用电路，并结合Altium Designer软件，重点介绍原理图设计技巧，为电路板设计奠定基础，学生根据实际应用需要改进电路设计。

芯片简介 开关电源由变换器和调节器两部分组成，前者常由市电驱动，加入整流滤波环节即可；后者常由专用IC实现。BP9021A是一款采用原边反馈的LED专用恒流驱动芯片，适用于85～265 Vac全范围输入电压、功率3 W以下的反激式隔离电源，芯片内置17 V稳压管、650 V功率管、峰值检测、前沿消隐与PWM恒流控制模块。LED开路电压通过外部电阻设定，无需次级反馈电路，无需光耦及TL431反馈，无需辅助绕组供电和检测，也无需补偿电路，只需要极少的外围元件即可实现优异的恒流特性，实现了高精度的LED恒流输出和优异的电流调整率。BP9021A内部集成多重保护功能。

工作原理 图3是基于BP9021A设计的市电驱动型LED照明电源。系统上电后，母线电压通过启动电阻R1对启动电容C2充电，电压达到芯片开启阈值时，芯片内置调节器开始工作。系统工作于电感电流断续方式，市电整流滤波后，电流经原边绕组Np、芯片内置功率管DRAIN和电流采样电阻R2，构成输入回路；当原边峰值电流超过参考值时，功率管关断，输入回路断开，此时副边绕组电感放电，副边绕组Ns、续流二极管D1和LED负载构成的输出回路导通工作。

原理图绘制 Altium Designer是Altium公司推出的一体化电子产品开发系统，融合原理图设计、PCB布线、元器件库编辑等工具，是生产实习提高学生设计开发能力的理想工具[9-10]。原理图的设计应简洁易读，在确保电路连接正确的情况下提高设计效率，尽量一次完成不返工，先放核心IC，其他元件就近布局（图3），选用贴片封装（C1和TI1除外）。同类元件的放置和属性设置，在悬浮状态下用快捷键一次搞定。连线交叉或线太长、太密时，灵活运用网络标号或总线能使原理图更简洁。

5 电路板设计

开关电源效率高，噪声也大，印刷电路板的设计是电子产品满足EMI规范的关键。从PCB设计原则入手，结合Altium Designer软件，介绍开关电源电路板设计的过程与技巧，以及批量生产的工艺要求和双面板制作的关键。

图3 典型应用电路——LED驱动电源

以上电路中高频变压器取代了工频变压器，大大减少了变压器和滤波电容体积，其他元件皆用贴片工艺，满足了LED节能灯制作的体积和生产工艺要求。使用Altium Designer软件设计印刷电路板，尽量使用双层或多层电路板以减少绕线，先将核心IC大致居中，其他元件参考原理图连接关系，就近摆放完成PCB初始布局，合适条件下同类型元件就近摆放整齐，元件面敷地，减小电流环路，过孔电感较大，可采用多个过孔并联减小环路电感；发现元件与封装不一致时，可直接双击焊盘修改网络连接关系。

开关电源的变换器部分从输入到输出尽量排列在一条直线上，尽量靠近，否则敷地后会有捷径电流，形成大的电流环路，必要时加入分隔槽消除；调节器与变换器部分须保持一定距离，遵从IC厂家的PCB设计指南，如旁路电容、ROVP电阻、地线和环路面积的处理，尤其是开关器件部分（功率管漏极、二极管阴极）需要大面积覆铜辅助散热。电路板设计完成后添加定位孔和MARK点，分别用于锡膏印刷机的板子固定和自动贴片机的位置识别，这是后续自动贴片线进行批量生产所必须的。

最终设计应符合EMI规范和生产工艺要求，兼顾简洁性和合理性，在此前提下提升观感和效率。双面板后期制作的关键是顶层和底层的转印对齐工作，通过Altium Designer软件的特殊粘贴与翻转设计，一次将双层PCB图案打印在一张纸上（图4），然后通过热转印制作双面PCB板，最终实现SMT流水线的自动贴片生产。

图4 电路板设计——LED驱动电源

6 结语

以开关电源为工程案例的生产实习教学改革，提升了设计开发能力的培养，为高校集中性实践教学环节改革提供了参考案例。此外，完善实习的测试环节，使学生深入了解LED驱动电源的关键指标，探索校企合作，使学生了解各类LED驱动IC设计及其典型应用，探索现代工程教育理念下的实习教学改革，从而培养出更适合业界需求的工程人才，为建设创新型国家做出更大贡献。■

[1]李磊.电子信息类专业生产实习现状及对策研究[J].教育教学论坛,2014(1):225-226.

[2]张显,曹全喜.生产实习模式的探索与实践[J].实验科学与技术,2011(2):151-154.

[3]曹海平,管图华.基于CDIO理念的电工电子实训教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2013(1):140-142.

[4]高林.以工程应用能力为主导 提高工程教育人才培养质量[J].中国大学教学,2013(1):27-29.

[5]徐列群,杨武,肖煌兵.基于反激变压器的LED恒流电源设计[J].中国照明电器,2013(3):5-9.

[6]马场清太郎.电源电路设计技巧[M].丁志强,译.北京:科学出版社,2013:163-252.

[7]陈洋,段哲民,郭龙.反激式变换器拓扑的LED电源设计[J].电子设计工程,2014(2):95-97.

[8]黄登科,刘拓夫,王正仕.原边控制反激式LED驱动电源的研究[J].机电工程,2013(7):866-869.

[9]丛秋波.Altium：一体化电子产品开发平台支持工程师创新设计[J].电子设计技术,2008(9):38-39.

[10]牛耀国,朱朝霞,芮新芳.Altium Designer软件在印刷电路板设计中的应用[J].电子科技,2011(8):128-130.