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开关电源知识学习,学习目的：本次学习作为一个基础知识讲解，旨在使大家对开关电源的原理加深认识，熟悉电源的指标和测试，以及了解电源的可靠性等知识。,2017年12月,目录,1.开关电源基本原理1.1名词解释1.2开关电源基本原理1.3常用开关电源类别1.4开关电源和线性电源区别2.常用电气指标即测试方法2.2最大输入电流2.8输出纹波即杂音2.14绝缘阻抗2.3启动冲击电流2.9瞬态响应2.15效率2.4交调测试2.10开机延时2.5电压调整率2.11输出电压动态响应2.6负载调整率2.12保护电路3.电源可靠性,1.1名词解释,纹波纹波电压，是指输出直流电压中含有的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不彻底，就会有剩余的交流成分，即使采用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有波纹的。纹波电压通常用有效值或峰值表示尖脉冲指电压或者电流的短暂突变，开关电源中的高速开关电路会产生尖峰脉冲电压。常见的脉冲形状有矩形脉冲，方波脉冲，尖脉冲，锯齿脉冲，阶梯脉冲，间歇正弦脉冲等等，尖脉冲电压具有突变性和不连续性！,1.1名词解释,效率：有效功率/总功率。消耗功率=输出端各电压（接负载）*电流，总和为有效功率总功率=工作电压*电流一般开关电源的效率能达到80%以上，比传统的线性稳压电源提高近一倍占空比：在一串理想的脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。方波的占空比为50%，占空比为0.5，说明正电平所占时间为0.5个周期。占空比是电源适应负载大小的结果，负载大，占空比就高。,1.2开关电源基本原理,开关电源的基本工作原理是：用一个半导体功率器件（功率晶体管或功率场效应管）作为开关，该器件不断地重复开启和关断，使得输入的直流电压在通过这个开关器件后变成了方波，该方波经过电感、电容等组成的滤波器滤波之后便得到了另一个直流电压。在一个开关周期内，开关管导通的时间占整个周期的比例称为导通占空比D。很明显，当开关周期不变时，导通占空比越大，负载上获得的直流电压越大。这就是PWM在开关电源中的应用。,1.3.1按稳压控制方式：脉冲宽度调制方式(PWM)，脉冲频率调制方式(PFM)，混合调制方式。1.3.2按变压器激励方式分：反激式、正激式1.3.3按开关器件与负载电路的连接方式：串联式开关电源并联式开关电源变压器耦合开关电源（常用）,1.3常用开关电源电路分类,1.3.1按稳压控制方式分类,（1）脉冲宽度调制方式（PWM)。其主要特点是开关频率不变,通过改变脉冲宽度来调节占空比,实现稳压目的。其核心是脉宽调制器（常用型）（2）脉冲频率调制方式(PFM)。其特点是将脉冲宽度固定,通过改变开关频率来调节占空比,实现稳压的目的。其核心是脉频调制器。（3）混合调制方式：是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式。,1.3.1PWM和PFM波形比较,1.3.2按变压器激励方式分,反激式凡是在开关管截止期间向负载提供能量的统称反激变换器。主要应用于小功率电源（100W以下）变压器主要作用为电压变换和储能。,2.正激式用于中大功率电源（500W）左右，变压器作为电压变换，输出有一个储能电感，开关管导通时,释放能量。,图二,1.3.3.1串联调整型开关电源,1.3.3按开关管与负载的连接方式分,Ui,原理框图,下图是串联式开关电源的最简工作原理图。Ui是开关电源的工作电压，通过控制开关K不停地“接通”和“关断”在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压Uo。,1.3.3.1串联式开关电源的工作原理,下式中Ton为控制开关K接通的时间，T为控制开关K的工作周期。改变控制开关K接通时间（Ton）与关断时间（Toff）的比例，就可以改变输出电压Uo的平均值Ua。占空比用D来表示，即：,或,1.3.3.1串联式开关电源的工作原理,下图是串联式开关电源输出电压的波形，由图中看出，控制开关K输出电压Uo是一个脉冲调制方波，脉冲幅度Up等于输入电压Ui，脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton，由此可求得串联式开关电源输出电压Uo的平均值Ua为：,1.3.3.1串联式开关电源特点,串联型开关电源具有带负载能力较强、开关管和续流二极管所承受的峰值电压较低电路结构简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，容易产生EMI干扰和地板带电，当输入电压为市电整流输出电压的时候，容易引起触电，对人身不安全。,1.3.3.2并联式开关电源的工作原理,原理框图,Ui24v,1.3.3.2并联式开关电源的工作原理,如图所示：a是并联式开关电源的最简工作原理图，图b是并联式开关电源输出电压的波形。图a中Ui是开关电源的工作电压，L是储能电感，K是控制开关，R是负载。图b中Ui是开关电源的输入电压，Uo是开关电源输出的电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Ua是开关电源输出的平均电压。Uo=Ui/(1-D)D为占空比,1.3.3.2并联式开关电源的工作原理,当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会产生很高的电压。当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。,1.3.3.2并联式开关电源的特点,当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此并联式开关电源常用于高压脉冲发生电路。并联式开关电源具有稳压范围宽、工作性能稳定、机芯底板不带电安全性能好等优点，但是开关管和整流二极管所承受的反峰电压较高。,次级产生感应电压的条件?变化的磁场初级产生变化磁场的方法?变化的电流,T,1.3.3.3变压器耦合型开关电源,MOS管的英文全称叫MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。1）MOS管是一个由改变电压来控制电流的器件，所以是电压器件。2）MOS管的输入特性为容性特性，所以输入阻抗极高。,1.3.3.3变压器耦合型开关电源,原理框图,1.3.3.3变压器耦合型开关电源,V为开关调整管,是脉冲变压器(又称储能变压器)，由于工作频率较高，故采用铁氧体材料的铁心，同名端如图中所标；D为脉冲整流二极管；是滤波电容器，也有储能作用；L为电源的负载。正脉冲作用到开关管V的基极使其饱和导通（ce=0），则脉冲变压器初级线圈1上产生的感应电压L1为上正下负，当开关断开时，初级线圈L1上的电压为上负下正。,1.4开关电源和线性电源区别,线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热器，而且还需要同样也是大体积的变压器，当要制作多组输出时变压器会更庞大。开关电源的调整管工作在截止和饱和状态，因而发热量小，效率高（75%以上），而且省掉了大体积的变压器。但是开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波。,1.4开关电源和线性电源区别,2.常用电气指标及测试方法,2.1最大输入电流,指标定义：在允许的工作条件下，电源可能达到的最大输入电流。测试条件a、电源工作电压为其输入电压范围的下限值。b、电源所带负载为最大负载条件。测试方框图测试方法a、先如图布置好测试电路。b、给电源提供最低的输入电压并给电源带上最大的负载，这都是在测试条件允许情况下的。c、读取交流或直流电流表的数值，此即为最大输入电流。,2.2启动冲击电流,指标定义：即为电源在输入开启的瞬间在输入线路上产生的最大瞬间电流。(由EMI电路引起的s级电流不在考虑之内)测试条件a、电源输出满载。b、启动电流测试装置（或供电电源）的输入电压为电源工作电压上限值，但测试装置的输入电压不应超过300Vac。c、电源应区分为热态（电源已满载工作5分钟以上）与冷态（电源已停止工作10分钟以上）。测试方框图,2.2启动冲击电流,测试方法针对电源输入电压的高低而使用不同的测试工装，测试方框图如上图1、2，测试方法如下：一、电源输入高电压（Vin75V）a、先如上图1接好测试电路。b、先把数字示波器调到自动触发捕获状态（一般：v/div：1或2V，time/div:5ms,triggerlevel:1V,triggerMode:Normal,slope:）c、再给启动电流测试装置充电（K1开），充电稳定后即可给被测电源加上启动电流（先K3开后K4开）d、示波器捕获到信号后，把K1、K3、K4关，K2开把启动电流测试工装里面的电荷放掉，以免产生电击危险。e、示波器捕获到的尖刺峰值（如：1.5V）乘以10（15V）即为启动冲击电流的数值（即为15A）,2019/12/13,27,可编辑,2.2启动冲击电流,二、电源输入低电压（Vin75V）a、先如上图2接好测试电路。b、先把数字示波器调到自动触发捕获状态（一般：v/div：1V，time/div:5ms,triggerlevel:1V,triggerMode:Normal,slope:）。c、合上开关K，让电源工作，示波器即会捕获到一上冲信号，d、用信号上冲电压幅度（V）除以0.1即为启动冲击电流值。,2.3交调测试,指标定义：在相应的输入电压范围内（取范围下限、额定电压、范围上限三点），对各路输出分别为小载或满载条件进行正交后进行输出电压的测试。测试条件a、输入电压分别为范围下限，额定值、范围上限。b、负载条件为各路的小载及满载的正交。测试方框图测试方法a、先如图连接好测试电路，对于每一路输出都应准备小载、满载。如果负载调整率、稳压精度的限值用百分比表示，则应进行额定输入电压下的全部半载测量。b、对于各种正交情况，应统一汇制成一张记录表格。c、对于每一种情况都进行测试并记录数据。d、此交调测试记录数据作为计算输出电压范围，电压调整率、负载调整率，稳压精度的原始数据。,2.4电压调整率,指标定义：即为电源稳定输出电压对电源输入电压的变化（最小值最大值）的调整性。(来源于电源在满载时，其输出电压因该电源的供电电压波动引起的变化。)计算方法a、负载电流为额定值（满载电流），源电压为标称值时，测出稳定输出电压UOb、负载电流为额定值时，求出源电压从最小值（下限）到最大值（上限）时输出电压的最大值与最小值U.c、电压调整率=U-Uo100%Uod、对于多路输出，其它各路应与被测一路同时带满载。,2.5负载调整率,指标定义：即为电源稳定输出电压对电源负载电流的变化（小载满载）的调整性。(电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低，相反负载减少，输出升高。通常指标为3%-5%。)计算方法a、源电压为标称值，负载电流为额定值的一半，测出输出电压整定值UO。b、源电压为标称值，负载电流在额定值（满载）与最小值（小载）之间变化，求出电源稳定输出电压的最大值与最小值U。c、负载调整率=（空载时输出电压-满载时输出电压）/（额定负载时输出电压）*100%d、对于多路输出，其它各路输出应与被测一路同时带上小载或满载。,2.7输出纹波即杂音,指标定义：又称周期与随机偏移（PARD），即在全部影响量和控制量均保持恒定的情况下，在规定的带宽内，直流输出量对其平均值的周期和随机偏移。对规定带宽的周期与随机偏移而言。它可以用有效值Vrms与（或）峰峰值（Vp-p）表示。测量条件a、输入电压一般为额定值（具体依产品规格要求）。b、各路输出一般带上满载。c、测量端并联一个0.1F的无极性电容和一个10F的电解电容，如产品规格无要求则在测量端并联一个0.1F的无极性电容。测试方框图,2.7输出纹波即杂音,测试方法a、先如图布置好测试电路。b、对于测试纹波应把示波器TIME/DIV调至10S左右，带宽设为20MHz，测量到的周期偏离值即为纹波Vr.m.s。c、对于输出纹波电压测试，应把示波器TIME/DIV调至0.5S以便于测量其随机偏移的峰峰值纹波电压（VP-P），示波器带宽设为20MHz，在电源输出功率范围内调节电源输出负载，使Vp-p达到最大值。,2.8瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）,测试条件a、开关机过冲电源输出各种负载组合。输入电压全范围。b、负载跃迁负载电流为标称值的25%50%和50%75%输入电压在全电压范围内。测试方框图,2.8瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）,测试方法a、如图布置好测试电路b、将数字示波器设置到正常捕获状态。c、然后即可开启电源，开启瞬间，示波器即会捕捉到一过冲信号，分别在以上各种条件下开启几次电源，取其中最大者，此即为开机过冲幅度。d、当电源在工作时，关闭电源，示波器即会捕捉到输出电压下降信号，测量电压在下降之前的过冲值，在各种条件下多关闭几次电源，取其中最大者，即为关机过冲幅度。e、将示波器设为自动状态，把电子负载设为动态模式（在25%与50%额定电流之间阶跃或在50%与75%额定电流之间阶跃），开启电源及电子负载，测量其瞬态过冲幅度及瞬态恢复时间（可调节电子负载的开关周期时间以获得易于测量的波形；过冲幅度的测量需剔除毛刺部分）。,2.8瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）,2.9开机延时,指标定义：即自给电源提供工作电压到电源开始产生稳定输出之时间即为开机延时。测试条件a、电源输出满载。b、电源工作电压为额定值。测试方框图测试方法a、如图布置好测试电路。b、将数字示波器调节到相应的设置，开启供电开关，即可捕捉到电源输入电信号及输出信号。c、从示波器上测出电源刚接受输入之时到电源刚开始产生稳定输出量之时的间隔，即为开机延时。d、为保证测试数据的准确，测试之前必须把电源输入电容的电荷放完。,2.10输出电压动态响应,输出电压保持时间,指标定义：即在电源关断输入后，其稳定输出电压仍然维持在所规定范围内的时间。测试条件a、输入电压为额定值。b、电源输出满载。测试方框图测试方法将数字示波器设置到相应状态，开启供电开关，正常工作之后关断供电开关，自输入电压开始关断到稳定输出电压开始跌落出所要求的范围之时间即为输出电压保持时间。,2.10输出电压动态响应,输出电压上升时间,定义：电源开机时输出电压从其10%上升到其90%所需时间即为输出电压上升时间。测试条件a、输入电压为额定值。b、电源输出满载。测试方框图测试方法a、如图布置好测试电路。b、将数字示波器设置到相应状态，开启供电开关，输出电压从10%上升到90%的时间即为输出电压保持时间。,2.10输出电压动态响应,输出电压跌落时间,定义：电源关机时输出电压从其90%下降到其10%所需用时间即为输出电压跌落时间。测试条件a、输入电压为额定值。b、电源输出满载。测试方框图测试方法将数字示波器设置到相应状态，开启供电开关，正常工作之后关断供电开关，输出电压从90%下降到10%的时间即为输出电压跌落时间,2.11保护电路,(输入过压、欠压及其恢复),定义：输入过压及恢复即为当电源输入电压高于某一值时，电源即自行关断输出,而当输入电压回落到某一值时，电源又自行恢复输出。输入欠压及恢复即为当电源输入电压低于某一值时，电源即自行关断输出，而当输入电压调高到某一值时，电源又自行恢复输出。测试条件a、电源输出为半载或按产品规格要求。测试方框图测试方法a、如图布置好测试电路，如电压可调电源为AC电源，则其正弦波形应失真小。b、在相应的负载条件下让电源正常工作，慢慢调高供电电源的电压，直到电源输出关断，此时的输入电压值即为输入过压点。c、接着慢慢往回调低输入电压，直到电源又恢复输出，此时的输入电压即为输入过压恢复点。d、然后调低输入电压直到电源关断输出，此时的输入电压即为输入欠压点。e、接着再往回慢慢调高电压，直到电源恢复输出，此时的输入电压即为输入欠压恢复点。,2.11保护电路(输出过压保护),定义：即当电源的输出电压由于内部或外部的原因增高到某一规定范围内的值时，电源的输出即自行关断或不能够再升高。测试条件a、一般情况下，电源输出为小载。b、电源输入电压为额定值。测试方框图测试方法内调法：（在输出电压取样电阻上并上电位器，具体情况应询问产品负责人）。a、如图1布置好测试电路。b、让电源按相应条件工作。c、用螺丝刀调节并上的电位器，使输出电压慢慢升高，直到电源的输出突然关断或限压（不再升高），此时的输出的电压值即为输出过压点。外调法：（如果电源可以使用外调法，具体情况询问产品负责人）。a、如图2布置好测试电路。b、在合上开关K之前，先调节直流电源电压约等于此路的输出电压。c、合上开关K，再慢慢调高直流电源的电压直到另一路输出关断（如果只有被测一路则可用示波器观察开关MOS管的VDS波形，输出过压之后，其VDS波形即关断或跳跃），此时的直流电源电压值即为输出过压点。,2.11保护电路(输出限流),定义：即电源在一定范围内以适当的方式限制其输出电流的最大值。测试条件a、输入电压为额定值。b、其它条件依据技术要求。测试方框图测试方法a、如图连接好测试装置。b、开启电源，调节电子负载，使输出电流慢慢增大，直至符合测试条件（如：电流不再增大或输出电压刚好超出下限或电源关断输出等）。c、此时达到条件下的输出电流即为输出限流值。,2.11保护电路(输出短路),定义：即为电源具有输出短路保护功能。测试方法a、先布置好测试电路。b、让电源在要求的负载条件下工作。c、把输出正负极短路（应在靠近输出端子处短路，短路时间依规格要求），然后再断开，电源应输出正常。d、亦可先把正负极短路（要求同上），然后再开启电源，短路去除后电源应输出正常。,2.12抗电强度,定义：抗电强度，是为了符合安全要求，在电源输入与输出，输入与大地，输出与大地之间施加所要求的电压进行绝缘性能的测试。测试条件a、电源不工作，如有防雷电路则应去掉。b、某一被测极应全部短接。测试方框图测试方法a、如图1把电源各被测极（输入或输出或大地）分别短接。b、把耐压测试仪开启，（输出处于关闭）预置相应的漏电流值和90S的测试时间。c、把耐压仪两极的夹子分别夹住电源被测极（注意夹子夹稳，勿触碰任何导电物体，特别是人体）。d、启动测试钮，慢慢提升试验电压，如无异常情况或超漏，一直提升到所要求的试验电压，然后保持一分钟，并记录漏电流值，即可复位测试仪，把耐压仪输出回复到0，然后开始另一组测试，如有不合格情况（如：击穿超漏，爬电等）应立即予以改正。e、开启泄漏电流测试仪。f、从测试仪处提供电源工作电压，并把电压提高到电源输入电压最大值，观察此时测试仪的泄漏电流值，即为电源的泄漏电流值。g、最后关闭测试仪。,2.13绝缘阻抗,定义：绝缘阻抗是通过在被测两极（输入、输出或大地）之间，施加500VDC或1000VDC电压计算出来的电阻值；接地电阻是在电源接地端子与接地元器件之间，通过施加一规定大小的电流来测量到的电阻值。测试条件a、电源不工作。b、接地电阻测试适用于类保护设备。c、如果被测电路的电流额定值16A，试验电流、试验电压和试验时间应如下确定：试验电流为被测电路电流额定值的1.5倍:和试验电压不应超过12V；和试验时间为60S。判定：根据电压降计算出的保护连接导体电阻不应超过0.1。d、如果被测电路的电流额定值超过16A，试验电流和试验时间为如下值：2倍的电路电流额定值进行2min；或对直流供电的设备由制造厂商规定。判定：保护连接导体的电压降不应超过2.5V。,2.13绝缘阻抗,测试方框图测试方法a、如图1连接好测试线路。b、用绝缘电阻测试仪测试电源输入、输出及大地三者之间的绝缘电阻值。c、如图2连接好测试电路。d、用接地电阻测试仪测量出电源的接地电阻值。,2.14效率,定义：即为电源把其输入有功功率转换为有效输出功率的能力。测试条件a、输入电压一般为额定值。b、输出满载。测试方框图测试方法a、先如图布置好测试电路。b、各路输出电压、电流的测量，应同时进行。c、开启所有设备，记录输入功率数值及各输出电压、电流值。d、计算出输出功率值Po=UoIo+UoIo+。效率=(Po/Pi)100%（Pi电量测量仪上显示的输入功率）。,3.电源可靠性,电源是在进行能量的处理，其内部器件要承受高电压、大电流、高功率和热量损耗，是整机中容易发生故障的一个部件，因此它的可靠性对整机可靠性有非常重要的意义。据统计显示：引起设备不可靠的原因设计错误约占1/3，元器件质量约占1/3，制造、操作和维护约占1/3。其实后两方面也与设计阶段的考虑不周有关。为了取得高可靠性，必须从设计阶段就开始考虑可靠性的问题。,3.1电源可靠性设计原则,优选线路。电路设计中尽量多利用标准化的电路或是经过考验可靠性高的电路，并且应尽量采用成熟的技术。电路设计遵循简化原则。在保证设计功能和指标的前提下尽可能以最简单的线路和最少量的元器件来实现设计，减少元器件数量的同时也要压缩品种数可规格。从可靠性角度出发不能为了性能的少许改进而增加大量元器件，要有足够的容差设计和最坏情况设计。也就是要考虑元器件参数的公差、漂移以及随环境条件的变化等因素。正确选用元器件，并针对元器件工作应力合理进行降额设计。正确选用元器件的类型是首要的，这需要设计者对每种器件的类型有足够的认识。选定类型后再进行降额设计，降额是指元器件在低于其额定值的应力条件下工作。按照元器件类型和降额曲线分别进行温度、电压、功率的降额设计。提高可靠性的方法除了进行良好设计外，还可以通过实验方法进行，其过程是不断恶化产品的环境条件（电压、温度等）直至失效，就可找到最薄弱的环节，然后改进该环节，再继续恶化环境条件，该方法是比较实用的一种方法。,3.2电源可靠性指标及测试,可靠性的衡量是失效率或是平均无故障时间MTBF，两