開關電源基本知識(孟工)

1、1 開關電源基本知識 研發(fā)二組孟業(yè)鋒2 v開關電源開關電源開關電源是相對線性電源說的。它在輸入端直開關電源是相對線性電源說的。它在輸入端直接將交流電整流變成直流電，再在高頻震蕩電路的作用下，接將交流電整流變成直流電，再在高頻震蕩電路的作用下，用開關管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高用開關管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高頻變壓器）的幫助下，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。由于變壓器頻變壓器）的幫助下，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。由于變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和

2、體積。小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。因為高頻可以減少轉換損耗，使這種電源的效率比線性電源因為高頻可以減少轉換損耗，使這種電源的效率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源。高很多。這樣就節(jié)省了能源。v開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）脈沖幅度調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制構成。3線性電源的主電路如下： 開關電源的主電路如下： 4開關電源的發(fā)展方向開關電源的發(fā)展方向v開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低損耗、低開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低損耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型

3、高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。 5開關電源與線性電源之比較項目線性開關效率低（2550）高（65 90 ）尺寸大小電路簡單（變壓，整流，穩(wěn)定化）復雜（整流，轉換，波寬控制，整流）穩(wěn)定度高（0.001 0.1 ）普通（0.1 3 ）紋波小 大輸入電壓范圍輸入電壓大時，效率降低，不可直流輸入輸入電壓范圍廣成本低，隨著銅的變化而變化普通，隨著銅等原材料的長價而有上升趨勢6輸入電壓范圍v輸入電壓是指客戶端提供給開關電源的輸入電壓，即電源能正常工作的電

4、壓。常見的分為AC（交流）和DC（直流）輸入兩種（或AC、DC均可）。v對于產(chǎn)品而言，輸入電壓均有范圍，常見的AC輸入的有：176Vac264Vac；90Vac 132Vac；90Vac264Vac等；而常見DC輸入的有：36VDC 72VDC等。v此參數(shù)主要是保證開關電源在客戶端的設備上能正常使用。7輸入頻率范圍（Hz）v此指標主要是能滿足客戶所在國家或地區(qū)的電網(wǎng)的要求。（AC輸入）v通常產(chǎn)品的指標為：47Hz63Hzv我們國家的電網(wǎng)為：220Vac/50Hz8啟動沖擊電流v開關電源在啟動瞬間，由于電容在開機瞬間會形成一個很大電流的充電過程，這就形成了啟動沖擊電流；其如果過大容易導致橋堆和保

5、險絲等器件燒毀；v此指標主要是考慮電源在啟動時耐受沖擊電流的能力。一般要求冷機啟動情況下：30A （220Vac/50Hz）。v測試設備：可編程交流源; 精密電子負載; 數(shù)字示波器; 電流探頭9最大輸入電流v在電源工作時，輸入端回路總會有電流，即我們所說的輸入電流；v一般來說，最大輸入電流出現(xiàn)在輸入電壓為下限值時；v此項指標某些客戶有特殊要求，它的大小受以下幾個因數(shù)的影響：輸出功率、PF值（功率因數(shù)）、輸入電壓和效率等。10輸出啟動時間啟動時間11輸出啟動時間v啟動時間是指開關電源在最大載情況下從電源（直流或交流）輸入到其輸入電壓上升到規(guī)格下限值（或90%U）時的那段時間；v通常在220Vac

6、輸入時，要求小于2S；在110Vac輸入時，要求小于3S。v啟動時間可能對客戶系統(tǒng)的時序信號有影響，當然啟動時間過長可能會讓客戶認為電源出現(xiàn)故障。12輸出過沖v當電源啟動時，輸出電壓將上升至某一值V1時經(jīng)電源的反饋回路調(diào)整后至穩(wěn)定輸出電壓值V0，此時的輸出過沖(overshoot)即為（V1-V0）/V0*100%；同理，當電源斷開輸出時，也會出現(xiàn)所謂的輸出欠沖（undershoot);v此項指標主要是考量開關電源的反饋回路的反應速度。v測試時應兼顧各種輸入條件和負載條件。13輸出過沖V0V114保持時間保持時間15保持時間v定義是：開關電源從輸入切斷電源起到其輸出電壓下降到穩(wěn)壓范圍外時（一般

7、是輸出電壓的下限）的時間，單位是mS級。v通常標準：220Vac輸入時不小于20mS；110Vac輸入時不小于10mS。（不同的設備有不同的時間要求，有要求16ms，有的則要求在交流輸入120V時 12ms）v此參數(shù)可能影響客戶系統(tǒng)的某些工作特性，如保存數(shù)據(jù)等，也可能涉及到時序性問題。16效率v效率的定義是指某一電源輸出的總功率與輸入有用功的百分比。v此指標是檢驗電源的功率使用率，從客戶角度而言，效率高就意味著耗能少，效率低就意味著耗能多；從產(chǎn)品開發(fā)而言，效率低意味著電源本身的功耗大，自身產(chǎn)生的熱能也相應增大，這將影響產(chǎn)品的可靠性，也可能進而影響客戶系統(tǒng)的可靠度。17溫度系數(shù)v此指標主要是評估

8、開關電源在其允許的環(huán)境條件（泛指溫度與濕度）下，其輸出的電壓變化率是否滿足要求；v影響溫度系數(shù)的因數(shù)主要是開關電源的元器件在環(huán)境變化后某些參數(shù)的偏移從而引起整機參數(shù)的變化（對于產(chǎn)品而言即輸出電壓）。18輸出電流v輸出電流是定義某一電源本身的特定參數(shù)；一般定義每路輸出所允許的負載電流范圍（描述最小電流和最大電流）；如不定義最小電流值，則默認為最大電流值的10% 。v此參數(shù)的確定取決于客戶設備的實際功率。一般而言，建議使用不大于80%Pmax.19源效應v源效應定義是開關電源在某一特定環(huán)境溫度條件下，在輸入電壓變化時其提供穩(wěn)定輸出電壓的能力（也稱為：輸入電壓調(diào)整率）。v此指標主要是考慮到開關電源可

9、能在不同的輸入電壓的工作環(huán)境，由此引起的輸出電壓不穩(wěn)定情況。如在國內(nèi)的邊遠地區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，電網(wǎng)的供電穩(wěn)定程度較差。2021負載效應v負載效應定義為開關電源在某一環(huán)境條件下，在輸出負載變化時其提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力。v這個指標主要滿足客戶系統(tǒng)的負載條件變化時開關電源輸出電壓的穩(wěn)定性必須滿足客戶設備工作的要求。2223穩(wěn)壓精度v綜合開關電源在不同環(huán)境條件、不同輸入電壓、不同的負載條件下，其提供穩(wěn)定輸出電壓的能力；v該指標其實是將源效應、負載效應和溫度系數(shù)等綜合起來。24輸出紋波v輸出紋波可能會影響到客戶系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性，當紋波問題過大時造成客戶系統(tǒng)當機或丟失數(shù)據(jù)的情況時有發(fā)生。v紋波的大小按照

10、1%V0來定義，但一般而言，紋波均定義不小于50mV除非客戶有特殊要求。25輸出噪聲紋波的測試 v輸出紋波和噪聲時指疊加在輸出直流電壓上的交流成分，其中紋波時疊加在輸出直流上開關頻率的偕波分量，而噪聲電壓是在與開關頻率無關的非周期的分量。測試紋波和噪聲應在規(guī)定的帶寬內(nèi)測試，一般用20MHz帶寬，超20MHz帶寬的示波器可選用20MHz的帶寬限制，一般用mVp-p表示，測量應采用靠測法（如圖）即去掉探頭上的地線夾和測試鉤，直接用探頭靠在電源模塊的輸出引針上，這樣可以避免空間輻射超成影響，還可以避免將共模信號疊加在真正要測試的差摸信號上。26另一種方法是用雙絞線測量。適用于便裝式電源的測量 。 輸

11、出紋波和噪聲在測量時應采用模擬示波器選擇適當?shù)牧砍蹋瑨呙杷俣葢陀?.5秒，測量峰峰值雜音電壓。27輸出紋波工頻紋波（低頻紋波）工頻紋波（低頻紋波）開關紋波（高頻紋波）開關紋波（高頻紋波）噪聲部分紋波部分28動態(tài)負載響應v一個額定電壓輸出的電源，具備反饋控制回路，能夠?qū)⑵漭敵鲭妷壕S持穩(wěn)定，但由于實際上反饋控制回路有一定的頻寬，限制了開關電源對負載電流變化的反應。v客戶系統(tǒng)的負載電流一般是變化的，所以動態(tài)負載響應測試確保了電源在負載變化時不會出現(xiàn)輸出呈現(xiàn)不穩(wěn)定、失控或振蕩現(xiàn)象。29v輸入保護：根據(jù)模塊電源時間的工作環(huán)境及用戶對可靠性的要求，可以選擇輸入保護電路，以提高電源系統(tǒng)的可靠性，輸入保護電

12、路由保險絲、反極性保護二極管、輸入電容、瞬態(tài)抑制二極管組成，常用的輸入保護電力如圖所示。 保護功能30保險絲v設置在電源模塊輸入端的保險絲提供安全保護，一般保險絲規(guī)格可選取1.5-2倍的額定輸入電流，如果模塊工作在一個相當寬電壓范圍，保險絲應該選擇2倍的最大輸入電流。是否選擇一個快速熔斷的保險絲取決于具體的應用。一般來說一個普通的保險絲能提供足夠的保護，但在熱備份的應用中，我們推薦使用快速保險絲，以防失效的模塊將輸入母線短路。 輸入電容 v在模塊的輸入端應加裝一只電解電容，這個電容有兩個作用；v1）吸收模塊輸入端的電壓尖峰；v2）在輸入母線上出現(xiàn)瞬間電壓跌落時，給模塊提供一定時間的維持電壓。

13、31反極性保護 v為了防止模塊在輸入極性接錯，在輸入端安裝一只二極管，這只二極管可串在輸入回路，對低電壓輸入電源，可并聯(lián)在輸入回路（如圖接法）。如果使用瞬抑制二極管作為瞬態(tài)過壓保護，則省略串聯(lián)二極管，同樣可起到反極性保護的作用。 32輸出保護v輸出保護一般有：過電流、過壓、短路等保護；v電源具備保護功能的作用是：一保護客戶端的設備；二是保護電源本身，避免其損壞。33工作環(huán)境v工作環(huán)境主要包括了溫度和濕度。v每個電源都有其特殊的使用環(huán)境。溫度越高或越低和濕度越大，工作環(huán)境也就越惡劣。v電源的使用環(huán)境也會對設計開發(fā)時選用器件有影響，即工作環(huán)境越惡劣，選用的器件的可靠性也就越高，就是說成本也就越高。

14、比如：雷擊過4KV、壽命達到5年以上、配機改語音要求等特殊要求都會造成成本的增加。v另外使用在比較惡劣的工作環(huán)境下，應考慮降額使用。34電磁兼容v電磁兼容（EMC）目前越來越受到重視，新開發(fā)產(chǎn)品均嚴格按照EMC相關標準開發(fā)設計。v產(chǎn)品在滿足自身的EMC要求同時，也應作為客戶端的一個配件與客戶系統(tǒng)相配合并滿足其EMC標準要求。35電磁兼容v電磁兼容包括有EMS和EMI兩項。vEMS目前在能測試的項目有：ESD（靜電放電）、EFT（電快速脈沖群）、Lightning（雷擊浪涌）和Dips and Variation（電壓暫降和瞬變）四項；vEMI電磁干擾方面，目前能測試為傳導干擾和輻射干擾。36

15、根據(jù)客戶的不同電壓，采用壓敏電阻、氣體放電和TVS，TVS動作速度非?？?，達ps極（10-12s），但其通流量不達，應將其放在后級。壓敏電阻和氣體放電的通流量可以做得很大。但速度較慢只有us（10-6s）。為了讓高能量得浪涌電壓盡量在壓敏電阻、氣體放電管上，建議在壓敏電阻和氣體放電與TVS之間放一級電感，用電感阻擋一些時間，高能量得浪涌電壓盡量從壓敏電阻、氣體放電管泄放。氣體放電管是一種負阻元件，一旦導通只有幾十伏得降壓，故應與壓敏電阻配合使用。二級間的阻滯電感可與EMC輸入級的電感共用。所有壓敏器件、元件的動作電壓按下面公式計算： VzVin(120)1.4eg: Vin=220Vac輸入回

16、路，Vz370V。在交流電壓波動較大的地區(qū)還可取得大一些。 37關于感性負載和啟動電流 如用戶采用電源模塊驅(qū)動感性如電動機、電磁閥等，那么應當注意感性負載會產(chǎn)生感生電動勢，造成電源模塊的誤動作?？稍谳敵黾壖右恢欢O管，將感生電動勢隔離。如圖： 如果采用電源模塊驅(qū)動感性如電動機，除應注意感生電動勢外，還需注意電動機的啟動電流。一般來講電動機的啟動電流是正常工作標稱值的6-8倍，電源模塊的保護電路可靠而靈敏，會因過流保護不能啟動，須適當加大電源容量并在訂貨時予以說明 38關于可靠性 v可靠性精確定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。通常可以用平均無故障時間MTBF來表示。vMTBF是Mean Time Between Failures的簡寫。指兩次相連故障間的平均工作時間，而不是指產(chǎn)品報廢（失效）的時間v有兩種計算方法：一是用長時間大量的統(tǒng)計數(shù)字來計算，二是用MILHDBK-217F2，國軍標為GJB299標準規(guī)定的方法來計算，即MTBF=1，計算方法非常煩瑣。最關鍵是求得得值，得值與以下幾項內(nèi)容有關：v1）環(huán)境溫度v2）使用環(huán)境v3）元件的數(shù)量v4）元器件得等級v5）降額的冗余度39v其中1.2項與客戶使用