1、开关电源基本知识开关电源基本知识研发院研发院 王福王福东莞冠日光电科技有限公司课程介绍l开关电源的发展方向开关电源的发展方向l开关电源的定义开关电源的定义l开关电源主要类型开关电源主要类型l开关电源模块简图开关电源模块简图l开关电源开关电源VS线性电源线性电源l各项参数名词解析各项参数名词解析开关电源的发展方向 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低开关电源的发展方向是高频、高可靠、低损耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开损耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同因此国外各大开关电源制造商都致力于
2、同步开发新型高智能化的元器件，特别是改步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnMn-Zn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（高频率和较大磁通密度（BsBs）下获得高的）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。技术。用用半导体功率器件做开关，将一种电源半导体功率器件做开关，将一种电源形态转换成另一种形态，同时用自动控形态转换成另一种形态，同时用自动控制闭环稳定输出且带有保护环节的开关制闭环稳定输出且带有保护环节的开关变换器电
3、路，叫做开关电源变换器电路，叫做开关电源（Switching Power SupplySwitching Power Supply）.开关电源的定义：开关电源的定义：电源有如人体的心脏，是所有用电设备的原动力。按电力电子的习惯称谓，电力的转换包括：AC DC：整流 DC AC：逆变 AC AC：交流交流变换 DC DC：直流直流变换主要类型：主要类型：开关电源模块简图：开关电源模块简图：输入 EMI滤波输入整流转换器输出整流闭环控制保护电路输出PWM调制线性电源的主电路如下：线性电源的主电路如下：开关电源的主电路如下：开关电源的主电路如下：开关电源开关电源VS线性电源：线性电源：开关电源与线性
4、电源之比较开关电源与线性电源之比较项目项目线性线性开关开关效率效率低（低（25255050）高（高（65 65 90 90）尺寸尺寸大大小小电路电路简单（变压，整流，稳简单（变压，整流，稳定化）定化）复杂（整流，转换，波复杂（整流，转换，波宽控制，整流）宽控制，整流）稳定度稳定度高（高（0.001 0.001 0.1 0.1）普通（普通（0.1 0.1 3 3 ）噪音噪音小小 大大输入电压范围输入电压范围输入电压大时，效率降输入电压大时，效率降低，不可直流输入低，不可直流输入输入电压范围广输入电压范围广成本成本低低普通，有减少趋势普通，有减少趋势输出纹波输出纹波工频纹波（低频纹波）工频纹波（低
5、频纹波）开关纹波（高频纹波）开关纹波（高频纹波）噪声部分纹波部分输入电压范围输入电压范围 输入电压是指客户端提供给开关电源的输输入电压是指客户端提供给开关电源的输入电压，即电源能正常工作的电压。常见入电压，即电源能正常工作的电压。常见的分为的分为ACAC（交流）和（交流）和DCDC（直流）输入两种（直流）输入两种（或（或ACAC、DCDC均可）。均可）。对于产品而言，输入电压均有范围，常见对于产品而言，输入电压均有范围，常见的的ACAC输入的有：输入的有：180-264Vac180-264Vac；90-132Vac90-132Vac；90-264Vac90-264Vac等；等；此参数主要是保证
6、开关电源在客户端的设此参数主要是保证开关电源在客户端的设备上能正常使用。备上能正常使用。输入频率范围（输入频率范围（Hz）此指标主要是能满足客户所在国家或地区的电网此指标主要是能满足客户所在国家或地区的电网的要求。（的要求。（ACAC输入）输入）通常产品的指标为：通常产品的指标为：47-63Hz47-63Hz 我们国家的电网为：我们国家的电网为：220Vac/50Hz220Vac/50Hz 目前普通设计标准，输入电网需满足：目前普通设计标准，输入电网需满足：(额额定定)100-240Vac,50/60HZ;100-240Vac,50/60HZ;范围值范围值:90-264Vac,:90-264V
7、ac,47/63HZ.47/63HZ.启动冲击电流启动冲击电流 开关电源在启动瞬间，由于电容在开机瞬开关电源在启动瞬间，由于电容在开机瞬间会形成一个很大电流的充电过程，这就间会形成一个很大电流的充电过程，这就形成了启动冲击电流；其如果过大容易导形成了启动冲击电流；其如果过大容易导致桥堆和保险丝等器件烧毁；致桥堆和保险丝等器件烧毁；此指标主要是考虑电源在启动时耐受冲击此指标主要是考虑电源在启动时耐受冲击电流的能力。一般要求冷机启动情况下：电流的能力。一般要求冷机启动情况下：30A（220Vac/50Hz）。）。测试设备：可编程交流源测试设备：可编程交流源;精密电子负载精密电子负载;数字示波器数字
8、示波器;电流探头电流探头最大输入电流最大输入电流 在电源工作时，输入端回路总会有电流，在电源工作时，输入端回路总会有电流，即我们所说的输入电流；即我们所说的输入电流；一般来说，最大输入电流出现在输入电压一般来说，最大输入电流出现在输入电压为下限值时；为下限值时；此项指标某些客户有特殊要求，它的大小此项指标某些客户有特殊要求，它的大小受以下几个因数的影响：输出功率、受以下几个因数的影响：输出功率、PF值值（功率因数）、输入电压和效率等。（功率因数）、输入电压和效率等。输出启动时间输出启动时间 启动时间是指开关电源在最大载情况下从电源（直流或交流）输出到其输出电压上升到规格下限值（或90%Uo）时
9、的那段时间；通常在220Vac输入时，要求小于1S；在110Vac输入时，要求小于2S;90Vac输入时，要求小于3秒。启动时间可能对客户系统的时序信号有影响，当然启动时间过长可能会让客户认为电源出现故障。输出启动时间输出启动时间启动时间输出过冲输出过冲 当电源启动时，输出电压将上升至某一值V1时经电源的反馈回路调整后至稳定输出电压值V0，此时的输出过冲(overshoot)即为（V1-V0）/V0*100%；同理，当电源断开输出时，也会出现所谓的输出欠冲（undershoot);此项指标主要是考量开关电源的反馈回路的反应速度。测试时应兼顾各种输入条件和负载条件。输出过冲输出过冲V1V0保持时
10、间保持时间 定义是：开关电源从输入切断电源起到其输出电压下降到稳压范围外时（一般是输出电压的下限）的时间，单位是mS级。通常标准：220Vac输入时不小于20mS；110Vac输入时不小于10mS。（不同的设备有不同的时间要求，有要求16ms，有的则要求在交流输入120V时 12ms）此参数可能影响客户系统的某些工作特性，如保存数据等，也可能涉及到时序性问题。效率效率 效率的定义是指某一电源输出的总功率与输入有用功的百分比。此指标是检验电源的功率使用率，从客户角度而言，效率高就意味着耗能少，效率低就意味着耗能多；从产品开发而言，效率低意味着电源本身的功耗大，自身产生的热能也相应增大，这将影响产
11、品的可靠性，也可能进而影响客户系统的可靠度。温度系数温度系数 此指标主要是评估开关电源在其允许的环境条件（泛指温度与湿度）下，其输出的电压变化率是否满足要求；影响温度系数的因数主要是开关电源的元器件在环境变化后某些参数的偏移从而引起整机参数的变化（对于产品而言即输出电压）。输出电流输出电流 输出电流是定义某一电源本身的特定参数；一般定义每路输出所允许的负载电流范围（描述最小电流和最大电流）；如不定义最小电流值，则默认为最大电流。此参数的确定取决于客户设备的实际功率。一般而言，建议使用不大于80%Pmax.源效应源效应 源效应定义是开关电源在某一特定环境温度条件下，在输入电压变化时其提供稳定输出
12、电压的能力（也称为：输入电压调整率）。此指标主要是考虑到开关电源可能在不同的输入电压的工作环境，由此引起的输出电压不稳定情况。如在国内的边远地区或农村地区，电网的供电稳定程度较差。负载效应负载效应 负载效应定义为开关电源在某一环境条件下，在输出负载变化时其提供稳定的输出电压的能力。这个指标主要满足客户系统的负载条件变化时开关电源输出电压的稳定性必须满足客户设备工作的要求。稳压精度稳压精度 综合开关电源在不同环境条件、不同输入电压、不同的负载条件下，其提供稳定输出电压的能力；该指标其实是将源效应、负载效应和温度系数等综合起来。输出纹波输出纹波 输出纹波可能会影响到客户系统工作时的稳定性，当纹波问
13、题过大时造成客户系统当机或丢失数据的情况时有发生。纹波的大小按照1%V0来定义，但一般而言，纹波均定义不大于100mV除非客户有特殊要求。输出噪声纹波的测试输出噪声纹波的测试输出纹波和噪声是指叠加在输出直流电压上的交流成分，其中纹波输出纹波和噪声是指叠加在输出直流电压上的交流成分，其中纹波是叠加在输出直流上开关频率的偕波分量，而噪声电压是在与开关频是叠加在输出直流上开关频率的偕波分量，而噪声电压是在与开关频率无关的非周期的分量。测试纹波和噪声应在规定的带宽内测试，一率无关的非周期的分量。测试纹波和噪声应在规定的带宽内测试，一般用般用20MHz带宽，超带宽，超20MHz带宽的示波器可选用带宽的示
14、波器可选用20MHz的带宽限制，的带宽限制，一般用一般用mVp-p表示，测量应采用靠测法（如图）即去掉探头上的地线表示，测量应采用靠测法（如图）即去掉探头上的地线夹和测试钩，直接用探头靠在电源模块的输出引针上，这样可以避免夹和测试钩，直接用探头靠在电源模块的输出引针上，这样可以避免空间辐射超成影响，还可以避免将共模信号叠加在真正要测试的差摸空间辐射超成影响，还可以避免将共模信号叠加在真正要测试的差摸信号上。信号上。另一种方法是用双绞线测量。适用于便装式电源的测量另一种方法是用双绞线测量。适用于便装式电源的测量。输出纹波和噪声在测量时应采用模拟示波器选择适当的量程，输出纹波和噪声在测量时应采用模
15、拟示波器选择适当的量程，扫描速度应低于扫描速度应低于0.5秒，测量峰峰值杂音电压。秒，测量峰峰值杂音电压。动态负载响应动态负载响应 一个额定电压输出的电源，具备反馈控制回路，能够将其输出电压维持稳定，但由于实际上反馈控制回路有一定的频宽，限制了开关电源对负载电流变化的反应。客户系统的负载电流一般是变化的，所以动态负载响应测试确保了电源在负载变化时不会出现输出呈现不稳定、失控或振荡现象。保护功能保护功能 输入保护：根据模块电源时间的工作环境及用户对可靠性的要求，可以选择输入保护电路，以提高电源系统的可靠性，输入保护电路由保险丝、反极性保护二极管、输入电容、瞬态抑制二极管组成，常用的输入保护电力如
16、图所示。设置在电源模块输入端的保险丝提供安全保护，一般保险丝规格可选取设置在电源模块输入端的保险丝提供安全保护，一般保险丝规格可选取1.5-2倍的额定输入电流，如果模块工作在一个相当宽电压范围，保险丝应该选择倍的额定输入电流，如果模块工作在一个相当宽电压范围，保险丝应该选择2倍的最大输入电流。是否选择一个快速熔断的保险丝取决于具体的应用。倍的最大输入电流。是否选择一个快速熔断的保险丝取决于具体的应用。一般来说一个普通的保险丝能提供足够的保护，但在热备份的应用中，我们一般来说一个普通的保险丝能提供足够的保护，但在热备份的应用中，我们推荐使用快速保险丝，以防失效的模块将输入母线短路。推荐使用快速保
17、险丝，以防失效的模块将输入母线短路。保险丝保险丝输入电容输入电容 在模块的输入端应加装一只电解电容，这个电容有两个作用；在模块的输入端应加装一只电解电容，这个电容有两个作用；1）吸收模块输入端的电压尖峰；）吸收模块输入端的电压尖峰；2）在输入母线上出现瞬间电压跌落时，给模块提供一定时间的维持电压。）在输入母线上出现瞬间电压跌落时，给模块提供一定时间的维持电压。反极性保护反极性保护 为了防止模块在输入极性接错，在输入端安装一只二极管，为了防止模块在输入极性接错，在输入端安装一只二极管，这只二极管可串在输入回路，对低电压输入电源，可并联这只二极管可串在输入回路，对低电压输入电源，可并联在输入回路（
18、如图接法）。如果使用瞬抑制二极管作为瞬在输入回路（如图接法）。如果使用瞬抑制二极管作为瞬态过压保护，则省略串联二极管，同样可起到反极性保护态过压保护，则省略串联二极管，同样可起到反极性保护的作用。的作用。输出保护输出保护输出保护一般有：过流、过压、短路等保护；电源具备保护功能的作用是：一是保护客户端的设备；二是保护电源本身，避免其损坏。工作环境工作环境 工作环境主要包括了温度和湿度。每个电源都有其特殊的使用环境。温度越高或越低和湿度越大，工作环境也就越恶劣。电源的使用环境也会对设计开发时选用器件有影响，即工作环境越恶劣，选用的器件的可靠性也就越高，就是说成本也就越高。另外使用在比较恶劣的工作环
19、境下，应考虑降额使用。电磁兼容电磁兼容 电磁兼容（EMC）目前越来越受到重视，新开发产品均严格按照EMC相关标准开发设计。产品在满足自身的EMC要求同时，也应作为客户端的一个配件与客户系统相配合并满足其EMC标准要求。电磁兼容电磁兼容 电磁兼容包括有EMS和EMI两项。EMS目前在能测试的项目有：ESD（静电放电）、EFT（电快速脉冲群）、Lightning Surge（雷击浪涌）和Dips and Variation（电压暂降和瞬变）四项；EMI电磁干扰方面，目前能测试为传导干扰和辐射干扰。根据客户的不同电压，采用压敏电阻、气体放电和根据客户的不同电压，采用压敏电阻、气体放电和TVS，TVS
20、动作速度非动作速度非常快，达常快，达ps极（极（10-12ps），但其通流量不达，应将其放在后级。压敏电阻），但其通流量不达，应将其放在后级。压敏电阻和气体放电的通流量可以做得很大。但速度较慢只有和气体放电的通流量可以做得很大。但速度较慢只有us（10-6us）。为了让）。为了让高能量得浪涌电压尽量在压敏电阻、气体放电管上，建议在压敏电阻和气体高能量得浪涌电压尽量在压敏电阻、气体放电管上，建议在压敏电阻和气体放电与放电与TVS之间放一级电感，用电感阻挡一些时间，高能量得浪涌电压尽量之间放一级电感，用电感阻挡一些时间，高能量得浪涌电压尽量从压敏电阻、气体放电管泄放。气体放电管是一种负阻元件，一旦
21、导通只有从压敏电阻、气体放电管泄放。气体放电管是一种负阻元件，一旦导通只有几十伏得降压，故应与压敏电阻配合使用。二级间的阻滞电感可与几十伏得降压，故应与压敏电阻配合使用。二级间的阻滞电感可与EMC输入输入级的电感共用。级的电感共用。所有压敏器件、元件的动作电压按下面公式计算：所有压敏器件、元件的动作电压按下面公式计算：VzVin1.414 (120)eg:Vin=220Vac输入回路，输入回路，Vz370V。在交流电压波动较大的地区还可。在交流电压波动较大的地区还可取得大一些。取得大一些。关于感性负载和启动电流关于感性负载和启动电流 如用户采用电源模块驱动感性如电动机、电磁阀等，那么应当注意感
22、性负如用户采用电源模块驱动感性如电动机、电磁阀等，那么应当注意感性负载会产生感生电动势，造成电源模块的误动作。可在输出级加一只二极管，将载会产生感生电动势，造成电源模块的误动作。可在输出级加一只二极管，将感生电动势隔离。如图：感生电动势隔离。如图：如果采用电源模块驱动感性如电动机，除应注意感生电动势外，还需注如果采用电源模块驱动感性如电动机，除应注意感生电动势外，还需注意电动机的启动电流。一般来讲电动机的启动电流是正常工作标称值的意电动机的启动电流。一般来讲电动机的启动电流是正常工作标称值的6-8倍，电源模块的保护电路可靠而灵敏，会因过流保护不能启动，须适当加大倍，电源模块的保护电路可靠而灵敏
23、，会因过流保护不能启动，须适当加大电源容量并在订货时予以说明电源容量并在订货时予以说明 关于可靠性关于可靠性可靠性精确定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能可靠性精确定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。通常可以用平均无故障时间的能力。通常可以用平均无故障时间MTBF来表示。来表示。MTBF是是Mean Time Between Failures的简写。指两次相连故障间的简写。指两次相连故障间的平均工作时间，而不是指产品报废（失效）的时间的平均工作时间，而不是指产品报废（失效）的时间有两种计算方法：一是用长时间大量的统计数字来计算，二是用有两种计算方法：一是用长
24、时间大量的统计数字来计算，二是用MILHDBK-217F2，国军标为，国军标为GJB299标准规定的方法来计算，即标准规定的方法来计算，即MTBF=1，计算方法非常烦琐。最关键是求得，计算方法非常烦琐。最关键是求得得值，得值，得值与以得值与以下几项内容有关：下几项内容有关：1）环境温度）环境温度2）使用环境）使用环境3）元件的数量）元件的数量4）元器件的等级）元器件的等级5）降额的冗余度）降额的冗余度 其中其中1-2项与客户使用有关。项与客户使用有关。3-5项由生产厂家掌握，产品项由生产厂家掌握，产品在计算在计算MTBF时环境温度取时环境温度取25，使用环境为，使用环境为“一般地面一般地面环境
25、环境”。如客户在使用环境过高，工作环境过于严酷会直。如客户在使用环境过高，工作环境过于严酷会直接影响接影响的值，从而降低的值，从而降低MTBF的值。为保证的值。为保证MTBF达到要达到要求，在产品设计上依据求，在产品设计上依据GJB/Z35采用冗余、降额方法，元采用冗余、降额方法，元器件采购方面采用高等级产品，并按照器件采购方面采用高等级产品，并按照GJB128A、GJB548A进行老化、筛选，电路结构上尽量简捷，在保进行老化、筛选，电路结构上尽量简捷，在保证功能的前提下，尽量减少器件的数目，以提高平均无故证功能的前提下，尽量减少器件的数目，以提高平均无故障时间障时间MTBF。综上所述综上所述MTBF会因客户在使用方法、使用环境温度的不会因客户在使用方法、使用环境温度的不同而有一定的变化。同而有一定的变化。谢谢大家！谢谢大家！2011年年11月月15日日
