电源技术培训资料

1 长虹欣锐介绍 开关电源的基本原理与应用 基础性培训资料 研发中心赵田才 2011 8 22 目录 开关电源的基本概念和分类开关电源设计的要点和平板电视电源的趋势开关电源的一般拓扑结构PDP TV电源的基本原理平板电视电源的主要测试指标开关电源系统排版的基本要求中国强制认证 CCC电源的EMC设计和对策电源的安全设计 开关电源的基本概念和分类 1 电源的重要性 电源就如人的心脏 是所有用电设备的动力 2 开关电源的概念 凡是半导体功率器件作为开关 将一种电源形态转变成为另外一种形态的主电路都叫做开关变换器电路 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节成为开关电源 SMPS SwitchingModePowerSupply 3 离线式开关变换器 Off LineSwitchingConverter 是AC DC变换 也常称做开关整流器 它不单指整流的意义 而且整流后又作了DC DC变换 AC alternatingcurrent DC directcurrent 4 PWM开关变换器 凡是采用脉宽控制方式控制电子开关的的开关变换器 开关电源的基本概念和分类 开关电源的分类 1 按照控制方式分为 PWM方式 谐振方式和二者结合方式 2 按照是否采用变压器隔离可以分为 隔离式和非隔离式3 按照拓扑结构可以分为 BUCK BOOST RCC 反激 HB 半桥 FB 全桥 等 4 按照激励方式可以分为 自激式和他激式 5 按照谐振方式可以分为 电压谐振式和电流谐振式 开关电源设计的要点和平板电视电源的趋势 确保设计的可靠性 验证余量验证参数分析和排除故障 高效率 低噪声 成本最优化 满足标准 安全质量 薄型化 LCD电源板上高度已经低于8mm PDP电源板上高度已经低于17mm 高效率 目前的整个电源系统可以实现83 以上的效率 低待机功耗 专用模块已经实现低于0 1W的水平 一般在0 5W以下 高可靠性 MTBF 平均连续无故障时间 10万小时 低成本 单体电源的单位功率价格小于0 5元 开关电源的基本拓扑结构 1 BUCK拓扑 降压式变换电路 重要公式 Vout DxVinVout Vin Ldi dt 开关管打开时 开关电源的基本拓扑结构 2 BOOST拓扑结构 升压式变换电路 重要公式 Vout Vin Ldi dt 开关电源的基本拓扑结构 1 PF的定义 在交流电路中 电压与电流之间的相位差 的余弦叫做功率因数 用符号cos 表示 在数值上 功率因数是有功功率和视在功率的比值 即cos P S2 PFC技术 为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量 开关电源需要使用功率因数校正 PFC 技术 PFC技术使得电流波形跟随电压波形 将电流波形校正成近似的正弦波 未加PFC电路电网输入电压电流波形 应用 以PFC PowerFactorCorrection 技术为例 开关电源的基本拓扑结构 典型的PFC控制模式 DCM模式 开关电源的基本拓扑结构 1 一种峰值检测PFC控制框图 开关电源的基本拓扑结构 2 RCC 反激拓扑结构 开关电源的基本拓扑结构 3 RCC 反激拓扑结构 电流流向 波形1 开关电源的基本拓扑结构 3 RCC 反激拓扑结构 电流流向 波形2及全周期波形 开关电源的基本拓扑结构 4 LLC 谐振半桥拓扑结构 串联谐振方式 在负载较重时原边电流看作近似为正弦波 高次谐波可以忽略 只有基波的能量传到整流器负载较轻时 IIN为非正弦波 基波和高次谐波的能量一起传到整流器 1 输入特性 待机功率 在220Vac输入下 输出功率 470mW下 输入功率 1W PDP TV电源的基本原理 电源基本技术规格 2 输出特性 注 1 整机最大输入功率 在输入电压100Vac 240Vac 总输入功率 450W PDP TV电源的基本原理 电源基本技术规格 PDP TV电源的基本原理 电源图片 PM50H2000模组用开关电源 HSP400 5S01 HSP400 5S01电源原理图 PDP电源的时序要求 1 遥控开关机时序要求 PDP电源的时序要求 2 交流开关机时序要求 平板电视电源的测试 开关电源的测量 控制电路 线电压 VDS Sat 线电流 VON VGS 浪涌电流 纹波电流 浮地测量 关断特性 纹波电压 VDSXIDS Power 线电流谐波 功率因素 测量参考地 有功功率 视在功率 平板电视电源的测试 电源电性能测试系统 备注 电源测试时的隔离 在进行电源初级端测试时需要用隔离变压器进行隔离 以免造成危险 平板电视电源的主要测试指标 输入特性 输入电压范围 InputVoltageRange 电源系统允许的供电系统 市电 提供的电压变化的范围 工作电压范围 OperationVoltageRange 电源系统在额定负载下符合客户标准要求下的电压范围 输入频率范围 InputFrequencyRange 供电系统 市电 提供的电源频率的范围 一般在47Hz 63Hz 最大输入电流 MaxiumInputCurrent 电源系统在最低输入电压和最大负载下的平均输入电流 最大冲击电流 MaxiumImpactCurrent 一般是指用电器给电一瞬间在其内部产生的最大电流 电源效率 PowerSupplyEfficiency 在一定的输出负载下 电源的输出功率与输入功率之比 功率因数 PowerFactor 在交流电路中 电压与电流之间的相位差 的余弦叫做功率因数 用符号cos 表示 在数值上 功率因数是有功功率和视在功率的比值 即cos P S 待机功耗 Stand byInputPower 在额定输入要求下整机处于待机时电源的输入功率 开关电源的主要测试指标 输出特性 最大输出功率 Maximumoutputpower 各输出部分最大功率的总和 额定输出功率 OutputPowerRating 电源可以在一定的环境温度下 持续的输出的一定的功率 要求输出电压 纹波等指标满足标准 转换效率没有剧烈变化 MTBF数值也满足一定的水准 负载调整率 LoadRegulation 当负载从最小变化到最大 其它参数保持恒定时电压的变化率 百分比表示的输出电压的变化 交叉调整率 Thedefinitionofcross regulation 多路输出电源中由于其中一个负载变化时引起的其他电压的变化率 最大纹波电压 MaximumRippleVoltage 在额定输出电压和负载电流下 输出电压的纹波 包括噪声 的绝对值的大小 通常以峰峰值或有效值表示 输出电压的保持时间 HoldingTimeOfOutputVoltage 当输入电压关断后 某一输出电压下降到额定值的90 或者70 所经历的时间 开关机时序 TimingSequenceOfPowerOn off 整机开关机过程中电源各输出电压启动或者关断需要遵守的时间要求 开关电源的主要测试指标 保护特性 欠压保护 UnderVoltageProtection 包括输入欠压保护 输出欠压保护 开关电源电路的一个特征 在输入输出端出现不正常的低电压时保护开关电源和负载 过压保护 OverVoltageProtection 包括输入过压保护 输出过压保护 开关电源电路的一个特征 在输入输出端出现不正常的高电压时保护开关电源和负载 过流保护 OverCurrentProtection 当输出电流超过设定电流时候 设备自动断电 以保护设备 过载保护 OverPowerProtection 指电源的负载继续上升 达到某个点了电源就自动断电 以免出现过流损坏电源或者电脑的其他部件 OPP值通常是额定功率的1 3倍左右 短路保护 Short circuitProtection 一种极端的过载保护 当电源输出端出现短路时 电源系统自动关闭 保证相关 主要 器件不损坏的一种保护 开关电源的主要测试指标 安全特性 绝缘阻抗 InsulationResistance 某绝缘体阻挡到底是多少 特别是在高压下 容易存在击穿等现象 使得物体阻抗突然变化 DC500V 100M欧 绝缘耐压 InsulationVoltage 可连续 例1分钟 加到输入端和输出端 输入端和底板 输出端和底板之间的最大交流或直流电压 一般输入端和输出端之间的绝缘电压可达3000Vac 安全距离 SafeDistance 为了防止人体触及或接近带电体等造成的危险 在其间所需保持的空间距离 漏电流 SinkCurrent 开关电源中为了减少干扰 按照国标 必须设有EMI滤波器电路 由于EMI电路的关系 使得在开关电源在接上市电后对地有一个微小的电流 这就是漏电流 电源一次侧和二次侧之间在标准输入电压要求下所流过的电流值 温升测试 Temp riseCheck 在环境温度保持一定的情况下 对于被测物体的温度进行测试并进行换算的一种测试 开关电源的主要测试指标 电磁兼容特性 电磁干扰测试 EMICheck 传导测试 辐射测试 谐波电流 电磁抗干扰测试 EMSCheck 浪涌试验 射频电磁场辐射抗扰度 射频场感应的传导骚扰抗扰度 静电放电试验 以上试验都属于型式试验 开关电源的主要测试指标 其他特性 可靠性测试 ReliabilityCheck MTBF Meantimebetweenfailures 在开关电源保持其电气特性和合理的平均故障间隔时间的时间 用小时表示的开关电源的故障率 通常在25 和良好接地环境中用MIL HDBK 217F计算 降额设计 为了提升电子设备的可靠性而常用 主要是指构成电子设备的元器件使用中所承受的应力 电应力和温度应力 低于元器件本身的额定值 以达到延缓其参数退化 增加工作寿命 提高使用可靠性的目的 温升测试 Temp RiseCheck 针对电源系统中关键器件或者组件的温度测试 主要是考量电源产品的安全性和可靠性 高低温冲击测试 High lowTemperatureImpactCheck 模拟温度瞬变下进行的例行试验 保证器件不出现性能下降或者开裂等现象 当然不同的系统要求有很大的差别 工作环境 OperationAmbient 周围温度 AmbientTemperature 目标温度和SMPS周围静止空气的温度 在距离电源最小为100mm处测得 根据MIL STD 810E 除了必要的支撑点 测试单元应完全出于空气的包围中 周围空气的温度梯度应为测量温度的2 之内且不超过1 每米 风道测试 AirPassageCheck 根据电源系统所处环境的空气对流情况进行的模拟测试 一般采用烟道法 蒸气法等 最终确定风道设计是否合理 开关电源PCB排版的基本要求 基础知识 1 何为PCB PrintedCircuitBoard 印刷电路板 简单的说就是置有集成电路和其他电子组件的薄板 2 分类 1 根据电路层数分类 分为单面板 双面板和多层板 常见的多层板一般为4层板或6层板 复杂的多层板可达十几层 2 根据软硬进行分类 分为普通电路板和柔性电路板 3 PCB的原材料 覆铜箔层压板是制作印制电路板的基板材料 它用作支撑各种元器件 并能实现它们之间的电气连接或电绝缘 4 PCB的颜色和作用 通常PCB的颜色都是绿色 棕色 红色或者黑色 这是阻焊漆 soldermask 的颜色 是绝缘的防护层 可以保护铜线 也可以防止零件被焊到不正确的地方 在阻焊层上还会印刷上一层丝网印刷面 silkscreen 通常在这上面会印上文字与符号 大多是白色的 以标示出各零件在板子上的位置 5 器件的固定 为了将零件固定在PCB上面 我们将它们的接脚直接焊在布线上 在最基本的PCB 单面板 上 零件都集中在其中一面 导线则都集中在另一面 这么一来我们就需要在板子上打洞 这样接脚才能穿过板子到另一面 所以零件的接脚是焊在另一面上的 PCB的正反面分别被称为零件面 ComponentSide 与焊接面 SolderSide 开关电源PCB排版的基本要求 布线和安装要求 电源电路的误动作 噪声 损耗等与电路板的排版和安装条件有关 所以必须注意电路板的排版和元器件的安装 一般原则 1 将流过高频电流的线路配粗线 元器件间用短线 以降低配线的阻抗 2 如图所示 在对高频电流的回路部分的配线 要尽可能使回路的环内面积小 3 电路中的地线 公共线是辐射噪声源之一 尽可能使用粗 短的布线 4 开关电源中存在高频 高压的回路 在考虑安全规格的同时 注意元件排版和安装间的距离 电流从哪里来 最快的让它到哪里去 中国强制认证 CCC 国家质量总局 AQSIQ 国家认证监委会 CNCA CCC中国强制认证CCC ChinaCompulsoryCertification CCC共有9家认证机构 其中涉及EMC认证只有2家 1 中国质量认证中心 CQC Safety Safety EMC2 中国电磁兼容认证中心 CEMC EMC Safety EMC3C标志 中国强制认证 CCC 针对电视产品国家安全和EMC主要标准 1 GB4943 信息技术设备 包括电气事务设备 的安全 2 GB13837 声音和电视广播接收机及有关设备无线电骚扰特性限值及测量方法 3 GB17625 1 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 设备的每相输入电流 16A 4 GB8898 音频 视频及类似电子设备安全要求 电源的EMC设计和对策 EMC ElectromagneticCompatibility 电磁兼容性设计EMI产生的原因 就是电源在工作过程中产生的高di dt和高dv dt 它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源 EMC包含了以下三个方面的含义 1 EMI电磁干扰 即处在一定环境中设备或系统 在正常运行时 不应产生超过相应标准所要求的电磁能量 2 EMS电磁敏感度 即处在一定环境中设备或系统 在正常运行时 设备或系统能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰 或者说设备或系统对于一定范围内的电磁能量不敏感 能按照设计性能保持正常的运行 3 电磁环境 即系统或设备的工作环境 电源的EMC设计和对策 电磁干扰 EMI 缩写词 由电磁骚扰引起的装置 设备或系统性能的降低 EMI的定义是 由 引起 的性能降低 这就意味着任何一个EMI问题就它的基本形式而言由三个部分组成 如图所示 即电磁干扰的三个条件 1 发射器 即发射电磁骚扰的源 也叫做干扰源 2 感受器 即表现出性能降低的敏感的装置 设备或系统 也叫做敏感源 3 耦合路径 能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的路径 因此 EMI问题有两个关键的方面 发射和敏感性 电源的EMC设计和对策 开关电源噪声类型图 电源的E