第15章 開關電源外圍電路及可靠要求

1、提高開關電源可靠性 l電子產品，特別是軍用穩(wěn)壓電源的設計是一個系統(tǒng)工程，不但要考慮電源本身參數設計，還要考慮電氣設計、電磁兼容設計、熱設計、安全性設計、三防設計等方面。因為任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能導致整個電源的崩潰，所以我們應充分認識到電源產品可靠性設計的重要性。 供電方式的選擇 l集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離的不同而造成的壓差降低了供電質量，而且應用單臺電源供電，當電源發(fā)生故障時可能導致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負載，改善了動態(tài)響應特性，供電質量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成N1冗余供電系統(tǒng)，擴展功率也相對比較容易。所以采用分布式

2、供電系統(tǒng)可以滿足高可靠性設備的要求。 電路拓撲的選擇 l開關電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽式、半橋、全橋等八種拓撲。單端正激式、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開關管的承壓在兩倍輸入電壓以上，如果按60降額使用，則使開關管不易選型。在推挽和全橋拓撲中可能出現單向偏磁飽和，使開關管損壞，而半橋電路因為具有自動抗不平衡能力，所以就不會出現這個問題。雙管正激式和半橋電路開關管的承壓僅為電源的最大輸入電壓，即使按60降額使用，選用開關管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓撲。 控制策略的選擇 l在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的

3、方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點：逐周期電流限制，比電壓型控制更快，不會因過流而使開關管損壞，大大減小過載與短路的保護；優(yōu)良的電網電壓調整率；迅捷的瞬態(tài)響應；環(huán)路穩(wěn)定，易補償；紋波比電壓控制型小得多。生產實踐表明電流控制型的50W開關電源的輸出紋波在25mV左右，遠優(yōu)于電壓控制型。 硬開關技術因開關損耗的限制，開關頻率一般在350kHz以下，軟開關技術是應用諧振原理，使開關器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實現開關損耗為零，從而可將開關頻率提高到兆赫級水平，這種應用軟開關技術的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點，接近理想的特性，如低開關損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍

4、及負載范圍，但是此項技術主要應用于大功率電源，中小功率電源中仍以PWM技術為主。 元器件的選用 l（1)制造質量問題 質量問題造成的失效與工作應力無關。質量不合格的可以通過嚴格的檢驗加以剔除，在工程應用時應選用定點生產廠家的成熟產品，不允許使用沒有經過認證的產品。 （2)元器件可靠性問題 元器件可靠性問題即基本失效率的問題，這是一種隨機性質的失效，與質量問題的區(qū)別是元器件的失效率取決于工作應力水平。在一定的應力水平下，元器件的失效率會大大下降。為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。通過篩選可使元器

5、件失效率降低12個數量級，當然篩選試驗代價(時間與費用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會延長。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求l電阻在室溫下按技術條件進行100測試，剔除不合格品。 l普通電容器在室溫下按技術條件進行100測試，剔除不合格品。l 接插件按技術條件抽樣檢測各種參數。l 半導體器件按以下程序進行篩選： 測試步驟 目檢初測高溫貯存高低溫沖擊電功率老化高溫測試低溫測試常溫測試 篩選結束后應計算剔除率Q Q=(n / N)100% 式中：N受試樣品總數； n被剔除的樣品數； 如果Q超過標準規(guī)定的上限值，則本批元器件全部不準上機，并按有關規(guī)定處理。 恰當

6、地選用合適的元器件 l盡量選用硅半導體器件，少用或不用鍺半導體器件。l 多采用集成電路，減少分立器件的數目。l 開關管選用MOSFET能簡化驅動電路，減少損耗。l 輸出整流管盡量采用具有軟恢復特性的二極管。l 應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。 l集成電路必須是一類品或者是軍品。l 設計時盡量少用繼電器，確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器。 l原則上不選用電位器，必須保留的應進行固封處理。l 吸收電容器與開關管和輸出整流管的距離應當很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。 電解電容l在潮濕和鹽霧環(huán)境下，鋁電解電容會發(fā)生外

7、殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況，所以在艦船和潮濕環(huán)境，最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時，電解質會分解，所以鋁電解電容也不適用于航天電子設備的電源中。 鉭電解電容溫度和頻率特性較好，耐高低溫，儲存時間長，性能穩(wěn)定可靠，但鉭電解電容較重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(125V)較少、價格昂貴。 降額設計 l電子元器件的基本失效率取決于工作應力(包括電、溫度、振動、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。除個別低應力失效的元器件外，其它均表現為工作應力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設計時要進行降額設計。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降

8、額標準亦不同，實踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應力 電源常用元器件的降額系數 l電阻的功率降額系數在0.10.5之間。l二極管的功率降額系數在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。l 發(fā)光二極管電壓降額系數在0.6以下，功率降額系數在0.6以下。l 功率開關管電壓降額系數在0.6以下，電流降額系數在0.5以下。l 普通鋁電解電容和無極性電容的電壓降額系數在0.30.7之間。l 鉭電容的電壓降額系數在0.3以下。l 電感和變壓器的電流降額系數在0.6以下。 損耗問題 l損耗引起的元器件失效取決于工作時間的長短，與工作應力無關。鋁電解電容長期在高頻下

9、工作會使電解液逐漸損失，同時容量亦同步下降，當電解液損失40時，容量下降20；電解液損失0時，容量下降40，此時電容器芯子已基本干涸，不能再予使用。為防止發(fā)生故障，一般情況下應在圖紙上標明鋁電解電容器更換的時間，到期強迫更換。 其他方面設計l保護電路的設置 為使電源能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，應設置多種保護電路，如防浪涌沖擊、過壓、欠壓、過載、短路、過熱等保護電路。l電磁兼容性(EMC)設計 開關電源因采用脈沖寬度調制(PWM)技術，其脈沖波形呈矩形，上升沿與下降沿均包含大量的諧波成分，另外輸出整流管的反向恢復也會產生電磁干擾(EMI)，這是影響可靠性的不利因素，因而使電磁兼容性成為系統(tǒng)的重

10、要問題。 產生電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質、敏感的接收單元，EMC設計就是破壞這三個條件中的一個。 一一、運算放大器概念、運算放大器概念1、概述什么是運算放大器：運算放大器是具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓或電流放大單元。理想運放放大特性l輸入級：由差放構成，減小零點漂移和抑制干擾；l中間級：共射放大電路，用于電壓放大；l輸出級：互補對稱電路降低輸出電阻；l偏置電路：由恒流源電路構成。確定運放各級的靜態(tài)工作點。輸入級輸入級中間級中間級偏置偏置 電路電路輸出級輸出級輸入端輸入端輸出端輸出端差分放大器 l差分放大器又稱為差動放大器或差值放大

11、器，它是一種能夠有效地抑制零漂的直流放大器。差分放大器抑制零漂原理l因左右兩個放大電路完全對稱，所以在沒有信號情況下，即輸入信號vi=0時，vo1=vo2，因此輸出電壓vo=0，即表明差分放大器具有零輸入時零輸出的特點。當溫度變化時，左右兩個管子的輸出電壓vo1、vo2都要發(fā)生變動，但由于電路對稱，兩管的輸出變化量（即每管的零漂）相同，即vo1= vo2，則vo =0，可見利用兩管的零漂在輸出端相抵消，從而有效地抑制了零點漂移。差分放大器共模輸入l共模信號：把差動放大器輸入端加一對極性相同、大小相共模信號：把差動放大器輸入端加一對極性相同、大小相等的信號，這種輸入方式稱為等的信號，這種輸入方式

12、稱為“共模輸入共模輸入”。 （在實際工作中，共模信號總會遇到的。例如外界干擾信號同時從兩（在實際工作中，共模信號總會遇到的。例如外界干擾信號同時從兩管基極輸入時，就相當于共模輸入）管基極輸入時，就相當于共模輸入） 輸出電壓輸出電壓 共模電壓放大倍數共模電壓放大倍數 注：在理想情況下，溫度變化，電源電壓波動引起兩管的輸出電壓漂移注：在理想情況下，溫度變化，電源電壓波動引起兩管的輸出電壓漂移vo1和和vo2相等，分別折合為各自的輸入電壓漂移也必然相等，相等，分別折合為各自的輸入電壓漂移也必然相等，即為共模信號。即為共模信號。l 可見零點漂移等效于共模輸入。實際上差分放大器不可可見零點漂移等效于共模

13、輸入。實際上差分放大器不可能絕對對稱，故共模放大信號不為零。能絕對對稱，故共模放大信號不為零。l 共模放大倍數共模放大倍數AVC越小，則表明抑制零漂能力越強。越小，則表明抑制零漂能力越強。021ooovvv0ioVCvvA理想運放放大特性輸入級輸入級輸輸出出級級放大級放大級最常用的OP177系列 O12348765以典型的以典型的 OP177系列為例系列為例 ： 2反相輸入端反相輸入端 3同相輸入端同相輸入端 6輸出端輸出端 7正電源端正電源端 4負電源端負電源端 1、5接調零電位器接調零電位器 8閑置端（閑置端（NC）1 2 3 4 OP177系列 8 7 6 5單

14、個集成電路中可以包含多個運放 2、理想運放模型 理想運算放大器有兩種工作模式，三種理想運算放大器有兩種工作模式，三種狀態(tài)狀態(tài)線性放大線性放大一般用在放大器中一般用在放大器中飽和工作飽和工作一般用在比較器中一般用在比較器中 分為正向和負向兩個飽和工作區(qū)分為正向和負向兩個飽和工作區(qū)差分放大差分放大Iu)(21IIuu 21IIuu 、1Ou2Ou反相放大組態(tài)和同相放反相放大組態(tài)和同相放大組態(tài)二者結合大組態(tài)二者結合 輸入信號輸入信號 可以認為是可以認為是 ，利用疊加原，利用疊加原理，分別計算理，分別計算 對輸出的貢獻對輸出的貢獻 和和 ，然，然后合成，即后合成，即 電壓比較器電壓比較器l作用：判斷輸

15、入信號電壓之間的相對大小。作用：判斷輸入信號電壓之間的相對大小。l輸出的兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)：輸出的兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)： 高電平輸出高電平輸出 低電平輸出低電平輸出maxOUminOURURIUu maxOOUu RIUu minOOUu （1 1）單限比較器）單限比較器 為參考電平。為參考電平。 當當 時，時， ； 當當 時，時， 。限幅電路限幅電路1 1單向限幅器單向限幅器特點：當輸入信號進入限特點：當輸入信號進入限幅區(qū)后，輸出信號不再跟幅區(qū)后，輸出信號不再跟隨輸入信號變化，而保持隨輸入信號變化，而保持在某個固定值上。在某個固定值上。 C1C1C2C2C3C3R1R1R2R2RaRaA AV VO OV Vi iRbRb二階有源低通濾波二階有源低通濾波開關電源的組成開關電源的組成 開關電源主要有主回路和控制回路兩大部分組成。主回路在開關電源中是主要部件，起主導作用