開關(guān)電源基本知識(shí)(孟工)

1、1 開關(guān)電源基本知識(shí) 研發(fā)二組孟業(yè)鋒2 v開關(guān)電源開關(guān)電源開關(guān)電源是相對(duì)線性電源說(shuō)的。它在輸入端直開關(guān)電源是相對(duì)線性電源說(shuō)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(guān)管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高用開關(guān)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?yàn)楦哳l可以減少轉(zhuǎn)換損耗，使這種電源的效率比線性電源因?yàn)楦哳l可以減少轉(zhuǎn)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(guān)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(gòu)成。3線性電源的主電路如下： 開關(guān)電源的主電路如下： 4開關(guān)電源的發(fā)展方向開關(guān)電源的發(fā)展方向v開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低損耗、低開關(guān)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(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開關(guān)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 5開關(guān)電源與線性電源之比較6輸入電壓范圍v輸入電壓是指客戶端提供給開關(guān)電源的輸入電壓，即電源能正常工作的電壓。常見的分為AC（交流）和DC（直流）輸入兩種（或AC、DC均可）。v對(duì)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(guān)電源在客戶端的設(shè)備上能正常使用。7輸入

4、頻率范圍（Hz）v此指標(biāo)主要是能滿足客戶所在國(guó)家或地區(qū)的電網(wǎng)的要求。（AC輸入）v通常產(chǎn)品的指標(biāo)為：47Hz63Hzv我們國(guó)家的電網(wǎng)為：220Vac/50Hz8啟動(dòng)沖擊電流v開關(guān)電源在啟動(dòng)瞬間，由于電容在開機(jī)瞬間會(huì)形成一個(gè)很大電流的充電過(guò)程，這就形成了啟動(dòng)沖擊電流；其如果過(guò)大容易導(dǎo)致橋堆和保險(xiǎn)絲等器件燒毀；v此指標(biāo)主要是考慮電源在啟動(dòng)時(shí)耐受沖擊電流的能力。一般要求冷機(jī)啟動(dòng)情況下：30A （220Vac/50Hz）。v測(cè)試設(shè)備：可編程交流源; 精密電子負(fù)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(shí)，輸入端回路總會(huì)有電流，即我們所說(shuō)的輸入電流；v一般來(lái)說(shuō)，最大輸入電流出現(xiàn)在輸入電壓為下

5、限值時(shí)；v此項(xiàng)指標(biāo)某些客戶有特殊要求，它的大小受以下幾個(gè)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(dòng)時(shí)間啟動(dòng)時(shí)間11輸出啟動(dòng)時(shí)間v啟動(dòng)時(shí)間是指開關(guān)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(shí)的那段時(shí)間；v通常在220Vac輸入時(shí)，要求小于2S；在110Vac輸入時(shí)，要求小于3S。v啟動(dòng)時(shí)間可能對(duì)客戶系統(tǒng)的時(shí)序信號(hào)有影響，當(dāng)然啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)讓客戶認(rèn)為電源出現(xiàn)故障。12輸出過(guò)沖v當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓將上升至某一值V1時(shí)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(shí)的輸出過(guò)沖(overshoot)即為（V1-V0）/V0*

6、100%；同理，當(dāng)電源斷開輸出時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)所謂的輸出欠沖（undershoot);v此項(xiàng)指標(biāo)主要是考量開關(guān)電源的反饋回路的反應(yīng)速度。v測(cè)試時(shí)應(yīng)兼顧各種輸入條件和負(fù)載條件。13輸出過(guò)沖V0V114保持時(shí)間保持時(shí)間15保持時(shí)間v定義是：開關(guān)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(shí)（一般是輸出電壓的下限）的時(shí)間，單位是mS級(jí)。v通常標(biāo)準(zhǔn)：220Vac輸入時(shí)不小于20mS；110Vac輸入時(shí)不小于10mS。（不同的設(shè)備有不同的時(shí)間要求，有要求16ms，有的則要求在交流輸入120V時(shí) 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(shí)序性問(wèn)題。16效率v效率的定義是

7、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(biāo)是檢驗(yàn)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(yīng)增大，這將影響產(chǎn)品的可靠性，也可能進(jìn)而影響客戶系統(tǒng)的可靠度。17溫度系數(shù)v此指標(biāo)主要是評(píng)估開關(guān)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(guān)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(jī)參數(shù)的變化（對(duì)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(fù)載電流范圍（描述最小電流和最大電

8、流）；如不定義最小電流值，則默認(rèn)為最大電流值的10% 。v此參數(shù)的確定取決于客戶設(shè)備的實(shí)際功率。一般而言，建議使用不大于80%Pmax.19源效應(yīng)v源效應(yīng)定義是開關(guān)電源在某一特定環(huán)境溫度條件下，在輸入電壓變化時(shí)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(biāo)主要是考慮到開關(guān)電源可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(guó)內(nèi)的邊遠(yuǎn)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(fù)載效應(yīng)v負(fù)載效應(yīng)定義為開關(guān)電源在某一環(huán)境條件下，在輸出負(fù)載變化時(shí)其提供穩(wěn)定的輸出電壓的能力。v這個(gè)指標(biāo)主要滿足客戶系統(tǒng)的負(fù)載條件變化時(shí)開關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定性必須滿足客戶設(shè)備工作的要求

9、。2223穩(wěn)壓精度v綜合開關(guān)電源在不同環(huán)境條件、不同輸入電壓、不同的負(fù)載條件下，其提供穩(wěn)定輸出電壓的能力；v該指標(biāo)其實(shí)是將源效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)和溫度系數(shù)等綜合起來(lái)。24輸出紋波v輸出紋波可能會(huì)影響到客戶系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性，當(dāng)紋波問(wèn)題過(guò)大時(shí)造成客戶系統(tǒng)當(dāng)機(jī)或丟失數(shù)據(jù)的情況時(shí)有發(fā)生。v紋波的大小按照1%V0來(lái)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(cè)試 v輸出紋波和噪聲時(shí)指疊加在輸出直流電壓上的交流成分，其中紋波時(shí)疊加在輸出直流上開關(guān)頻率的偕波分量，而噪聲電壓是在與開關(guān)頻率無(wú)關(guān)的非周期的分量。測(cè)試紋波和噪聲應(yīng)在規(guī)定的帶寬內(nèi)測(cè)試，一般用20MHz帶寬，超20MHz

10、帶寬的示波器可選用20MHz的帶寬限制，一般用mVp-p表示，測(cè)量應(yīng)采用靠測(cè)法（如圖）即去掉探頭上的地線夾和測(cè)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(hào)疊加在真正要測(cè)試的差摸信號(hào)上。26另一種方法是用雙絞線測(cè)量。適用于便裝式電源的測(cè)量 。 輸出紋波和噪聲在測(cè)量時(shí)應(yīng)采用模擬示波器選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，掃描速度?yīng)低于0.5秒，測(cè)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(guān)紋波（高頻紋波）開關(guān)紋波（高頻紋波）噪聲部分紋波部分28動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)v一個(gè)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(shí)際上反饋控

11、制回路有一定的頻寬，限制了開關(guān)電源對(duì)負(fù)載電流變化的反應(yīng)。v客戶系統(tǒng)的負(fù)載電流一般是變化的，所以動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)測(cè)試確保了電源在負(fù)載變化時(shí)不會(huì)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(hù)：根據(jù)模塊電源時(shí)間的工作環(huán)境及用戶對(duì)可靠性的要求，可以選擇輸入保護(hù)電路，以提高電源系統(tǒng)的可靠性，輸入保護(hù)電路由保險(xiǎn)絲、反極性保護(hù)二極管、輸入電容、瞬態(tài)抑制二極管組成，常用的輸入保護(hù)電力如圖所示。 保護(hù)功能30保險(xiǎn)絲v設(shè)置在電源模塊輸入端的保險(xiǎn)絲提供安全保護(hù)，一般保險(xiǎn)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(gè)相當(dāng)寬電壓范圍，保險(xiǎn)絲應(yīng)該選擇2倍的最大輸入電流。是否選擇一個(gè)快速熔斷的保險(xiǎn)絲取決于具體的

12、應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)一個(gè)普通的保險(xiǎn)絲能提供足夠的保護(hù)，但在熱備份的應(yīng)用中，我們推薦使用快速保險(xiǎn)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(yīng)加裝一只電解電容，這個(gè)電容有兩個(gè)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(shí)，給模塊提供一定時(shí)間的維持電壓。 31反極性保護(hù) v為了防止模塊在輸入極性接錯(cuò)，在輸入端安裝一只二極管，這只二極管可串在輸入回路，對(duì)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(guò)壓保護(hù)，則省略串聯(lián)二極管，同樣可起到反極性保護(hù)的作用。 32輸出保護(hù)v輸出保護(hù)一般有：過(guò)電流、過(guò)壓、短路等保護(hù)；v電源具備保護(hù)功能的作

13、用是：一保護(hù)客戶端的設(shè)備；二是保護(hù)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(gè)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(huì)對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)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(shuō)成本也就越高。比如：雷擊過(guò)4KV、壽命達(dá)到5年以上、配機(jī)改語(yǔ)音要求等特殊要求都會(huì)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(yīng)考慮降額使用。34電磁兼容v電磁兼容（EMC）目前越來(lái)越受到重視，新開發(fā)產(chǎn)品均嚴(yán)格按照EMC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計(jì)。v產(chǎn)品在滿足自身的EMC要求同時(shí)，也應(yīng)作為客戶端的一個(gè)配件與客戶系統(tǒng)相配合并滿足

14、其EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。35電磁兼容v電磁兼容包括有EMS和EMI兩項(xiàng)。vEMS目前在能測(cè)試的項(xiàng)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(xiàng)；vEMI電磁干擾方面，目前能測(cè)試為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。36 根據(jù)客戶的不同電壓，采用壓敏電阻、氣體放電和TVS，TVS動(dòng)作速度非?？?，達(dá)ps極（10-12s），但其通流量不達(dá)，應(yīng)將其放在后級(jí)。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(jí)電感，用

15、電感阻擋一些時(shí)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(fù)阻元件，一旦導(dǎo)通只有幾十伏得降壓，故應(yīng)與壓敏電阻配合使用。二級(jí)間的阻滯電感可與EMC輸入級(jí)的電感共用。所有壓敏器件、元件的動(dòng)作電壓按下面公式計(jì)算： VzVin(120)1.4eg: Vin=220Vac輸入回路，Vz370V。在交流電壓波動(dòng)較大的地區(qū)還可取得大一些。 37關(guān)于感性負(fù)載和啟動(dòng)電流 如用戶采用電源模塊驅(qū)動(dòng)感性如電動(dòng)機(jī)、電磁閥等，那么應(yīng)當(dāng)注意感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，造成電源模塊的誤動(dòng)作?？稍谳敵黾?jí)加一只二極管，將感生電動(dòng)勢(shì)隔離。如圖： 如果采用電源模塊驅(qū)動(dòng)感性如電動(dòng)機(jī)，除應(yīng)注意感生電動(dòng)勢(shì)外，還需注意

16、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。一般來(lái)講電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流是正常工作標(biāo)稱值的6-8倍，電源模塊的保護(hù)電路可靠而靈敏，會(huì)因過(guò)流保護(hù)不能啟動(dòng)，須適當(dāng)加大電源容量并在訂貨時(shí)予以說(shuō)明 38關(guān)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(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。通?？梢杂闷骄鶡o(wú)故障時(shí)間MTBF來(lái)表示。vMTBF是Mean Time Between Failures的簡(jiǎn)寫。指兩次相連故障間的平均工作時(shí)間，而不是指產(chǎn)品報(bào)廢（失效）的時(shí)間v有兩種計(jì)算方法：一是用長(zhǎng)時(shí)間大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)計(jì)算，二是用MILHDBK-217F2，國(guó)軍標(biāo)為GJB299標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法來(lái)計(jì)算，即MTBF=1，計(jì)算方法非常煩瑣。最關(guān)鍵是求得得值，得值與以下幾項(xiàng)內(nèi)容有關(guān)：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(jí)v5）降額的冗余度39v其中1.2項(xiàng)與客戶使用有關(guān)。3-5項(xiàng)由