开关电源基础知识精要.ppt

1、开关电源基本知识开关电源基本知识东莞冠日光电科技有限公司课程介绍开关电源的发展方向开关电源的定义开关电源主要类型开关电源模块简图开关电 源 VS 线性电源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，因此国外各大开关电源制造商都致力于同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（M n-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。用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，同时用自动控制

2、闭环稳定输出且带有保护环节的开关变换器电路，叫做开关电源（Sw i tchi ng Pow er Suppl y）.开关电源的定义：开关电源的定义：源有如人体的心，是所有用的电脏电设备原 力。动 按力子的，力的包括电电习惯称谓电转换：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：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：开关电源与线性电源之比较开关电源与线性电源之比较项 目线 性开

3、关效率低（25 50）高（65 90 ）尺寸大小电 路简单（变压，整流，稳定化）复杂（整流，转换，波宽 控制，整流）稳 定度高（0.001 0.1 ）普通（0.1 3 ）噪音小 大输入电压范围输入电压大时，效率降低，不可直流输 入输入电压范围广成本低普通，有减少趋势输出纹波输出纹波工频纹波（低频纹波）开关纹波（高频纹波）噪部分声波部分纹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入电压，即电源能正常工作的电压。常见的分为A C（交流）和 D C（直流）输 入两种（或A C、D C均可）。对于产品而言，输入电压均有范围，常见的A C输 入的有：180-264V ac；90-13

4、2V ac；90-264V ac 等；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。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的要求。（A C输 入）通常产品的指标为：47-63H z 我们国家的电网为：220V ac/50H z 目前普通设计标准，输入电网需满足：(额定)100-240V ac,50/60H Z;范围值:90-264V ac,47/63H Z.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

5、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;精密电子负载;数字示波器;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，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为下限值时；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、PF 值（功率因数）、输入电压和效率等。输出启动时间输出启动时间是指源在最大情下启动时间开关电载况从电源（直流或交流）出到其出上升到输输电压格下限（或规值90%Uo）的那段；时时间 通常在 220Vac入，要求小于输时1S；在110Vac入，要求小于输时2S;90Va

6、c入输，要求小于时3 秒。可能客系的序信有影启动时间对户统时号响，然可能客源出当启动时间过长会让户认为电故障。现输出启动时间输出启动时间启动时间输出过冲输出过冲源，出上升至某一当电启动时输电压将值V1源的反回路整后至定出时经电馈调稳输电压值V0，此的出冲时输过(overshoot)即（为V1-V0）/V0*100%；同理，源出当电断开输时，也出所的出欠冲（会现谓输undershoot);此指主要是考量源的反回路的项标开关电馈反 速度。应兼各入件和件。测试时应顾种输条负载条输出过冲输出过冲V1V0保持时间保持时间 定是：源入切源起到其出义开关电从输断电输电压下降到范外（一般是出的下限）的稳压围时

7、输电压，位是时间单mS。级 通常 准：标220Vac入不小于输时20mS；110Vac入不小于输时10mS。（不同的有不设备同的要求，有要求时间 16ms，有的要求在则交流 入输120V 时12ms）此可能影客系的某些工作特性，如保参数响户统存据等，也可能涉及到序性。数时问题效率效率 效率的定是指某一源出的功率义电输总与输入有用功的百分比。此指是源的功率使用率，客角标检验电从户度而言，效率高就意味着耗能少，效率低就意味着耗能多；品而言，效率低从产开发意味着源本身的功耗大，自身生的能电产热也相增大，影品的可靠性，也可应这将响产能而影客系的可靠度。进响户统温度系数温度系数 此指主要是估源在其允的境

8、标评开关电许环件（泛指度度）下，其出的条温与湿输电压化率是否足要求；变满 影度系的因主要是源的元响温数数开关电器件在境化后某些的偏移而引起环变参数从整机的化（于品而言即出参数变对产输电）。压输出电流输出电流出流是定某一源本身的特定；输电义电参数一般定每路出所允的流范义输许负载电围（描述最小流和最大流）；如不定最电电义小流，默最大流。电值则认为电 此的确定取于客的功率。参数决户设备实际一般而言，建 使用不大于议80%Pmax.源效应源效应 源效定是源在某一特定境度应义开关电环温件下，在入化其提供定出条输电压变时稳输的能力（也：入整率）。电压称为输电压调 此指主要是考到源可能在不同的标虑开关电入的

9、工作境，由此引起的出输电压环输电压不定情。如在的地或村地稳况国内边远区农，的供定程度差。区电网电稳较负载效应负载效应效定源在某一境件下负载应义为开关电环条，在出化其提供定的出的输负载变时稳输电压能力。指主要足客系的件化这个标满户统负载条变时源出的定性必足客开关电输电压稳须满户设备工作的要求。稳压精度稳压精度合源在不同境件、不同入综开关电环条输电、不同的件下，其提供定出压负载条稳输电的能力；压指其是源效、效和度系该标实将应负载应温等 合起。数综来输出纹波输出纹波出波可能影到客系工作的输纹会响户统时稳定性，波大造成客系机当纹问题过时户统当或失据的情有生。丢数况时发波的大小按照纹1%V0定，但一般而

10、言来义，波均定不大于纹义100mV 除非客 有特户殊要求。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，一般用20MHz 带宽，超 20MHz 带宽的示波器可选用 20MHz 的带宽限制，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。输出纹波和噪声在

11、测量时应采用模拟示波器选择适当的量程，扫描速度应低于 0.5 秒，测量峰峰值杂音电压。动态负载响应动态负载响应 一定出的源，具反控制回个额电压输电备馈路，能其出持定，但由于够将输电压维稳实上反控制回路有一定的，限制了际馈频宽开源流化的反。关电对负载电变应 客系的流一般是化的，所以户统负载电变动确保了源在化不态负载响应测试电负载变时会出出呈不定、失控或振象。现输现稳荡现保护功能保护功能入保：根据模源的工作境及用输护块电时间环户对可靠性的要求，可以入保路，以提高选择输护电电源系的可靠性，入保路由保、反性统输护电险丝极保二管、入容、瞬抑制二管成，常护极输电态极组用的入保力如所示。输护电图设置在电源模

12、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。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。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；1）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。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，这只二极管可串在输入回路，对低

13、电压输入电源，可并联在输入回路（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的作用。输出保护出保一般有：流、短路等保；输护过过压护源具保功能的作用是：一是保客端电备护护户的；二是保源本身，避免其坏。设备护电损工作环境工作环境 工作 境主要包括了度和度。环温湿 每源都有其特殊的使用境。度越高或越个电环温低和度越大，工作境也就越劣。湿环恶源的使用境也用器件有影电环会对设计开发时选响，即工作境越劣，用的器件的可靠性也就环恶选越高，就是 成本也就越高。说 另外使用在比劣的工作境下，考降使较恶环应虑额用。电磁兼容电磁兼容磁兼容（电EMC）目前越越受到重，来视新

14、品均格按照开发产严EMC 相准关标开发。设计品在足自身的产满EMC 要求同，也作时应客端的一配件客系相配合为户个与户统并满足其 EMC准要求。标电磁兼容电磁兼容磁兼容包括有电EMS 和 EMI。两项 EMS 目前在能的目有：测试项ESD（静电放）、电EFT（快速脉冲电群）、Lightning Surge（雷 浪涌）和击Dips and Variation（降和瞬）四电压暂变项；EMI磁干方面，目前能干电扰测试为传导扰和射干。辐扰 根据客户的不同电压，采用压敏电阻、气体放电和 TVS，TVS 动 作速度非常快，达 ps 极（10-12ps），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

15、流量可以做得很大。但速度较慢只有 us（10-6us）。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 EMC 输入级的电 感共用。所有压敏器件、元件的动作电压按下面公式计算：Vz Vin1.414 (1 20)eg:Vin=220Vac 输 入回路，Vz 370V。在交流电压波动较大的地区还可取得大一些。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

16、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的能力。通常可以用平均无故障时间MTBF 来表示。MTBF 是 Mean Time Between Failures 的简写。指两次相连故障间的平均工作时间，而

17、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MILHDBK-217F2，国军标为GJB299 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 得值，得值与以下几项 内容有关：1）环 境温度2）使用环 境3）元件的数量4）元器件的等级5）降额 的冗余度 其中 1-2 项与客户使用有关。3-5 项由生产厂家掌握，产品在计 算 MTBF 时环境温度取 25，使用环境为“一般地面环境”。如客户在使用环境过高，工作环境过于严酷会直接影响 的值，从而降低 MTBF 的值。为保证MTBF 达到要求，在产品设计上依据 GJB/Z35 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GJB128A、GJB548A 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，以提高平均无故障时间MTBF。综 上所述 MTBF 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。谢谢大家！