在电源研发领域，工程师们常常会遇到各种各样的问题。一位资深大牛将自己多年研发电源过程中遇到的常见问题进行了汇总，这些问题涵盖了开关频率选择、拓扑结构、成本控制、环路设计等多个方面，对于电源研发人员来说具有极高的参考价值。以下是对这些问题的详细分析与拓展。
在小功率反激电源中，我们常常选择 65K 或者 100K（这些频率段附近）作为开关频率。这一选择并非偶然，而是经过多方面因素权衡后的经验折中。开关频率的高低直接影响着电源的性能和成本。
当开关频率提高时，MOS 开关损耗会增大，因为单位时间开关次数增多了。但同时，磁性器件的体积可以减小，因为储能器件单周期提供的能量减少，对变压器磁性和储能电感的要求降低。相反，当频率减小，开关损耗减小，但储能器件单周期提供的能量增多，需要更大的变压器磁性和储能电感。所以，选取在 65K 到 100K 左右是一个比较合适的范围。
在特殊情形下，如果输入电压比较低，开关损耗已经很小，我们就可以提高开关频率，以减小磁性器件体积。而对于主流 IC 的开关频率范围，这是经过大量实践和优化得出的，既考虑了性能，也兼顾了成本和市场需求。
LLC 的原理是利用感性负载随开关频率的增大而感抗增大，来进行调节输出电压的，即 PFM 调制。通常，我们常在二区设计开关频率，而一区和三区一般不选用。
一区是容性负载区，MOS 管开通损耗大，自然不可取。三区虽然是感性负载区，MOS 实现 ZVS 没有问题，但原边 MOS 管关断时，谐振电流并没有减小到和励磁电流相等，无法实现副边整流二极管软关断，会影响电源的性能和效率。
反激的占空比大于 50% 会带来多方面的影响。一方面，占空比设计过大，会导致匝比增大，主 MOS 管的应力必然提高，一般反激选取 600V 或 650V 以下的 MOS 管，占空比过大会使 MOS 管承受过高的电压，增加成本和风险。另一方面，在 CCM 模式下，占空比大于 50% 需要斜坡补偿，否则环路会震荡。不过，如果设计在 DCM 模式下，就不存在这一问题。
然而，在特殊情形下，将占空比设计在大于 50%，单位周期内传递的能量增加，可以减小开关频率，达到提升效率的目的。
反激电源的一大劣势就是效率问题。为了提高效率，可以从多个方面入手。
开关管方面，反激主要是 PWM 调制的硬开关居多，开关损耗是一大难点。软开关的出现为解决这一问题带来了希望，反激可以朝准谐振（部分时间段谐振）方向发展，如采用 NCP1207 等 IC。
变压器方面，要使变压器的损耗，需要综合考虑磁芯材料、匝数比、绕线方式等因素。
输出整流管方面，在输出大电流情况下，副边整流流二极管，哪怕用肖特基损耗依然会很大，此时可以采用同步整流 MOS 替代肖特基二极管。
电源传导是指通过接收输入端口 L、N、PE 来自电源内部的高频干扰（一般 150K 到 30M）。解决传导问题可以从输入滤波网络和源头两个方面入手。
输入滤波网络方面，一般采用二级共模搭配 Y 电容来滤去干扰。靠近端口放置低 U 电感，是镍锌材质，专门针对高频，绕线方式采用双线并绕，减少差模成分。后级放置感量较大的电感，与 Y 电容搭配。X 电容滤差模需要靠近端口，一般放在二级共模中间。放置 Y 电容时，电容布板时走线需要加粗，不可外挂，否则效果很差。
源头方面，传导是辐射耦合到线路中的结果，减弱开关辐射能对传导带来好处。影响辐射的因素有 MOS 管开通速度、整流管导通关断、变压器、PFC 电感等。
对于大功率的 EMC 问题，一般需要增加屏蔽，如输入 EMI 电路与开关管间屏蔽、变压器初次级屏蔽、合理利用散热器的屏蔽作用等。判断辐射源头位置可以通过输入线套磁环、输出线套磁环等方法。
设计电源时，选择拓扑需要综合考虑多个因素，包括电源指标、成本、使用环境等。常见的隔离式拓扑有反激、正激、半桥、全桥、推挽等。
反激适用于小于 150W 的小功率场合，成本低，调试容易，但功率有局限性，效率不高。
正激适用于中小功率，功率一般在 200W 以下，成本适中，效率比反激高。
半桥适用于中小功率和大功率场合，采用软开关，EMC 好，效率高。
全桥适用于大于 2KW 以上的大功率场合，驱动复杂，成本高。
推挽适用于大功率，尤其是输入电压低的大功率场合，但电压应力高，需要克服磁偏磁问题。
设计电源时，成本评估必不可少。可以从技术指标、物料采购成本、重要器件选择等方面入手降低成本。
技术指标方面，电源技术指标越高，成本越高，可以根据客户需求和市场定位，合理调整技术指标。
物料采购成本方面，大公司凭借优越的采购平台，采购量大，物料成本低。工程师在设计时，要清楚不同物料对应的成本，如能用贴片，少用插件；能用国产，不用台资；能用台资不用日系。
重要器件方面，不同的变压器厂家绕出来的变压器价格差异很大，MOS 管应力、热阻选择够用就行，IC 方案的成本也需要考虑。此外，器件散热器大小要合适，PCB 布板工艺要选择合理，以降低成本。
电源的环路设计是一个难点，主要影响因素太多，理论计算很难做到准确。环路是基于输入输出波动时，通过反馈调节控制 IC，维持输出的稳定。
影响电源环路的因素有零点和极点，零点会导致增益上升，引起 90 度相移（右半平面零点会引起 -90 度相移）；极点会导致增益下降，引起 -90 度相移，左半平面极点会引起系统震荡。
为了合理调控环路，需要采用零点极点补偿手段。对于低频部分，为了满足足够增益一般引入零点补偿；对于高频干扰一般引入极点补偿去抵消。
补偿电路一般采用对运放采用 2 型补偿，也有的会采用 3 型补偿，但较少使用。
软开关目前使用很频繁，可以提升效率，利于 EMC。很多拓扑都开始利用软开关，如反激的准谐振、LLC 的软开关等。
实现软开关需要利用 C 和 L 来实现谐振，产生正弦波，实现过零。软开关和硬开关的差异在于，硬开关过程中电压电流有重叠，软开关要么电流为零（ZCS）要么电压为零（ZVS）。
MOS 管的软开关可以利用结电容或者并电容，然后串电感实现串联 ZVS，也有 LC 并联 ZCS，但用的很少，因为 MOS 管 ZVS 的损耗小于 ZCS。
设计变压器是各种拓扑的点之一，需要综合考虑功率、磁芯大小、工作模式、感量调节、负载调整率、耦合效果、屏蔽等因素。
一般根据功率选择磁芯大小，小功率反激推荐用 EE 型、EF 型、EI 型、ER 型等；中大功率 PQ 型用的比较多。不同拓扑对变压器的要求也不一样，如反激需要考虑工作模式、感量调节、多路输出的负载调整率等。
大功率变压器需要关注损耗，使铜损和磁损达到平衡，还要考虑风冷自然冷、电流密度等因素。同时，要清楚电源过的安规，合理设置挡墙和层间胶带。
电源的设计工具主要用于选择磁芯及设计变压器、环路仿真设计、主功率拓扑仿真、模拟电路仿真、热仿真、计算工具等。
对于新人来说，建议少用工具，多计算，自己把握设计的过程。仿真可以在试验前验证设计，但不能完全依赖仿真，要弄清原理，将工具作为辅助手段。
评判一块电源板 LAYOUT 好坏可以从电性能、EMC、安规、工艺、美观等方面考虑。
布局前，要了解清楚电源的规格书、特殊要求、安规标准等，确认结构输入条件、风道、输入输出端口、主功率流向，选择合适的工艺路线。
布局中，要保证四大环路尽可能小，提前预判后续走线是否好走。变压器的摆放要慎重，EMI 部分的布局流向要清晰，与其它主功率部分有清晰的隔离带。各吸收回路的面积要尽可能小，散热器的长度和位置要合理。
走线部分，要满足安规要求，走线粗细要满足足够的电流大小，关键信号要合理处理，主功率地和信号地要严格区分开，反馈信号也单点接 IC，地单点接 IC。散热器的地必须接主功率地，不能接信号地。
电源中的元器件类型很多，每种器件都有其规格和极限参数。除了常规参数，还需要关注一些寄生参数以及随温度变化特性的参数。
MOS 管的导通电阻 Rds (on) 随温度升高阻值变大，结电容影响开通损耗和 EMC。
肖特基二极管的导通压降在温度升高时会减小，反向恢复时间短，但漏电流大，寄生电感会引起关断尖峰很高。
电容的 ESR 在计算纹波时通常会考虑，ESR 与 C 的关联很大，不同厂家的品质因素影响也很大。电容在高温时寿命会缩短，低温时容量会减小，漏电流也会增加。
磁性器件对开关电源非常重要，常见的磁性材料有铁氧体、磁环等。铁氧体材料价格便宜，开关频率能做到 1000K，适用于一般情况。磁环适用于要求高的大功率场合，感量可以做大，不易饱和，但价格贵，绕制工艺较困难。
磁环分高 U 值和低 U 值，高 U 环外观是绿色，一般用于 EMI 电路的共模电感，滤低频；低 U 环颜色偏灰，感量很低，滤高频。
电源损耗一般集中在 MOS 管的开通损耗及导通损耗、变压器的铜损和铁损、副边整流管的损耗、桥式整流的损耗、采样电阻损耗、吸收电路的损耗等方面。
针对这些损耗，可以采取相应的措施减小，如选用开关速度快、导通电阻低的 MOS 管，采用软开关；选择合适大小的磁芯，平衡变压器的铜损和铁损等。
散热器的设计是开关电源的一个重点，主要针对发热器件温升过高的问题。散热器的大小选择一般根据损耗的功率和需要的温升来计算热阻，然后选择相应面积的散热器。
可以采用一些辅助方式，如在器件和散热片间涂散热膏，小空间可采用型材散热。特殊器件有特殊的处理方式，如变压器可将底下的 PCB 板挖空散热，电感可加铜环散热等。
输出滤波电容对输出纹波至关重要，选择合适的滤波电容需要从成本及纹波需求考虑。一般按照输出纹波需求和纹波电流所对应的 ESR 值来选取电容，同时要考虑电容的容量与 ESR 的关系以及电容的品质因素。
移相全桥在中大功率使用中很受欢迎，但其驱动比较复杂，成本很高。移相是针对同一组的 MOS 管，让 2 个 MOS 管依次导通，可以降低开关损耗。超前臂桥实现 ZVS 同时，副边处于续流，原边电流被二极管分担，MOS 管电流近似零电流导通，滞后臂桥可以零电压导通。
移相全桥的工作过程复杂，有二个输出功率状态和二个续流状态，四个死区分别实现每个 MOS 管软开通。
无桥 PFC 相比普通有桥 PFC 效率有提升，但成本较高。其实整流桥并没有真正省去，而是当做交流输入正负半轴的隔离使用，相当于普通二个 PFC，交流正负半轴各一个，相应的 PFC 电感和 MOS 管也会增加，驱动 IC 也会复杂一些。
对于大功率为了做高效，检测电阻可以用变压器绕组来做，以减小损耗。但无桥 PFC 在直流下的性能可能不如交流下，需要根据具体需求选择。
三相电在电力电源中使用比较多，适用于大功率场合。三相电采用三相四线，能传输普通二相电三倍的功率，传输功率更大，且易于产生。
三相三电平是将三相电通过三相 PFC 转换为直流电，直流电然后逆变成二相交流电。采用三电平技术，器件的应力降低，谐波含量低，开关管损耗也低，在高压大功率场合优势突出。
电源的可靠性离不开保护电路，常见的保护电路有输入欠压过压保护、输出过压保护、过流保护、过温保护、短路保护等。
这些保护电路可以通过对交流信号采样、检测电压电流、热敏检测等方式实现，目的是提高电源的可靠性。不同的保护方式可以根据实际需求选择，可靠的保护一定是锁死而不是打嗝。
电源研发不仅要关注技术问题，还要关注市场需求。项目成功不仅仅是做出电源，还要考虑成本和利润。工程师要熟悉赚钱项目的特点，选择拓扑和省方案，以满足市场需求，为企业创造价值。
总之，电源研发是一个复杂的过程，需要综合考虑多个方面的因素。通过对这些常见问题的深入理解和掌握，可以提高电源的性能、效率和可靠性，降低成本，满足市场需求。
