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分析解释开关电源中的专业术语

作者:时间:2018-05-03来源:网络收藏

  本文将分析解释中的专业术语。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201805/379376.htm

  1 

  ■的输出并不是真正恒定的,输出存在着周期性的抖动,这些 抖动看上去就和水纹一样,称为

  ▶可以是电压或电流纹波。

  ■通常用2个参数来描述纹波:

  ▶最大纹波电压:纹波的峰峰值。

  ▶纹波系数:交流分量的有效值与直流分量之比。

  纹波产生的原因

  ■的纹波来自2个地方:

  ▶低频纹波:来自AC输入的周期,电源对输入的抑制比不是完美的,当输入 变化,输出也会变化。

  ▶高频纹波:来自开关切换的周期,开关电源不是线性连续输出能量,而是 将能量组成一个个包来传输,因此会存在和开关周期相对应的纹波。

  ■如果是线性电源,是没有开关纹波的,只有低频纹波。

  纹波的影响

  ■最大纹波会决定输出的峰值,本来输出是稳定的某个电压或电流,由 于纹波的影响,使得输出的峰值比平均值高,这可能会损坏负载。

  ▶比如,对LED来说,过高的电流会减少LED的寿命。

  ■过大的纹波系数会使得输出的能量不均衡平滑,从而偏离了直流输出 这个要求。

  ▶比如,对LED来说,过大的纹波系数会使得LED亮度变化,造成闪烁。

  ■如果开关电源用来驱动电池,LED灯这种负载,低频纹波的影响更大, 如果是驱动IC这种高速型负载,高频纹波的影响更大。

  纹波与噪声

  ■纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动,而噪声是随机耦合到 输出上的高频信号,是不一样的。

  2 调整率

  ■电源在使用时,有两个明显变化的外部条件:输入和负载。好的电源 应该在输入和负载发生变化时,依然能维持恒压或恒流。

  ■将输入或负载变化时,输出偏离额定输出的程度称为调整率,比如输 入在最大最小值之间变化,测量输出的偏差比率,为一个百分比,比 如5%,就称为调整率为±5% 。

  ■注意区分调整率和纹波,纹波是输出的动态特征,而调整率是让电源 工作在极限外部条件下,输出的极限偏差。

  调整率类型

  ■输入调整率

  ▶其他条件不变,调节输入时,输出的偏差,对于AC电源来说,是以AC线的 有效电压作为变化区间,比如以180~264作为上下限来变化。

  ▶有时还会调节AC的频率,来看输出是否有偏差,比如从47~63Hz区间。

  ■负载调整率

  ▶其他条件不变,调节负载时,输出的偏差。

  ■综合调整率

  ▶同时调节输入和负载,找出最差的偏差。

  3 LED恒流驱动

  ■为什么照明用LED都是电流驱动?

  ▶LED是二极管,而二极管的PN结的正向导通阻抗是负温度系数,随着温度 的升高,二极管正向导通阻抗降低。

  ▶如果用恒压源驱动LED,随着LED工作,温度开始升高,温度升高后,正 向导通阻抗降低,由于I=U/R,电流升高,且由于功率P=U*I,功率也增加, LED发热更厉害,进一步刺激温度升高,陷于恶性循环,直到LED损坏。

  ▷ 恒压源驱动时,温度和电路是一对正反馈。

  ▶所以照明LED都是恒流驱动,如果是非照明,LED几乎没有温升,此时可 以用恒压驱动。

  恒流精度

  ■恒流精度和其他电影的恒压效果一样,体现在几个方面。

  ▶当负载发生变化时,电源输出的电流的恒定程度。

  ▷在实际应用时,多个不同的LED串不可能阻抗特性完全相同,将这些不同的负载 接到电源上后,电流的误差就定义为恒流精度。

  ▷不光是多负载,同一个LED,温度不同时,阻抗特性也不同,不同温度下电流也 是有误差的,但这和前面的条件本质还是一样,都是负载变化。

  ▷因此在测试恒流精度时,需要使用电子负载,让负载在合理的范围内变化,测量 电压的电流误差。

  ▶当电源内部元件参数变化时,电源输出的电流的恒定程度。

  ▷这并不是标准的恒流精度的定义,但目前很多电源都是有这个要求,其中一个重 要的指标是储能元件,比如电感,或变压器,感值存在误差时,电源输出电流的 恒定度。

  ▷考虑到成本因素,储能元件在加工时偏差是很大的,所以,电源应当设计成对储 能元件的感值不敏感。

  锂电池恒流驱动

  ■便携式设备所用的锂电池,在不同电量的情况下,电压是不同的,以 手机所用的锂电池为例,电池在满能量时约4.2V,低能量时约2.5V。

  ■如果使用恒压源对电池充电,当电池电量较低时,充电电流会极大, 相当于电压源接到电容上,会损坏电池。

  ▶损坏的原因是大电流带来的大发热。

  ■为了限制大电流,目前的充电器都是使用恒流-恒压充电,当电池电压 低时,使用恒流输出。

  4 冲击与浪涌

  冲击电流

  ■如果负载为一个容性负载,将一个电压源直接加到负载上时,会产生 一个非常大的电流,这个电流就称为冲击电流。

  ▶过大的冲击电流会使得交流线上的保护电路识别为短路,会导致空气开关 跳闸,熔断保险丝等问题。

  ■对于AC电源来说,将电源接到AC线上的一瞬间,AC电源本身就是一 个容性负载,假如此时电源的负载处在满负荷状态,且AC线正处在峰 值电压处,会产生最大的冲击电流。

  浪涌(电压)

  ■闪电,雷击等会在电网上制造时间非常短的高电压脉冲或者高能量脉 冲。

  ▶这种过压通常是由专门的保护器进行保护,比如浪涌放电器。

  ■大功率设备断开或接入电网时,会使得电网电压上升或跌落。为了保 护电源,有时会使用一个压敏电阻接在输入端。

  ▶压敏电阻的组织和其上的电压有关,当电压变高时,阻值降低。

  ▶为什么压敏电阻不能包含雷击等产生的脉冲,因为这种浪涌有可能是同时 出现在L线和N线上的。

  5 效率和待机功耗

  效率和待机功耗

  ■这两个概念很简单,但有一点需要厘清,就是电源在工作时:

    

1.png

 

  ■虽然待机功耗就是电源本身的全部损耗,但是在电源带负载时,电源 本身的功耗要大于待机功耗。

  ▶电源本身的功耗主要来自于电感/变压器的损耗,开关管的损耗,二极管的损耗,这些损耗都和切换频率有关,而目前的开关电源,在输出功率很低时,都会将频率降低以节能,所以电源本身的功耗在带负载工作时和待机时是完全不同的。

  ▶但是效率是随着负载消耗增加而升高的,这个很好理解,待机时效率为0, 而带负载时,电源本身功耗的增加跟不上负载消耗的增加。

  6 ESR

  电容ESR

  ■开关电源都需要在输出加一个电容,将切换电路投递过来的断续能量 平滑成稳定的线性输出,这个电容的重要性不言而喻。

  ■一个非理想因素就是所有的电容都有等效串联电阻(ESR),这个电阻会 导致一系列问题。

  ▶电容稳压的原理就是当VO电压上升时,吸入电流,将能量存储于电容,当 VO电压下降时,吐出电流,释放能量。这个过程中,电流始终流过ESR。

  ESR导致的纹波

  ■ESR是输出高频电压纹波的罪魁祸首,当电容储能和释能时,电流方 向相反,因此输出在VO=VC+VESR,和VO=VC+VESR之间切换,ESR越 大,纹波电压越大。

  电解电容ESR的危害

  ■为了降低成本,通常输出电容会使用偏移的电解电容,但是电解电容 的ESR是较高的。

  ▶ESR大小:电解电容 > 钽电容 > 陶瓷电容。

  ■对于电解电容来说,高纹波电压倒在其次,要命的是ESR会导致电容 发热,电流越大,发热越厉害,发热越厉害,电解电容的电解液蒸发 得越快,随着电解液的蒸发,ESR加大,发热更高,陷入恶性循环。

  ▶电解电容本身就寿命不高,是电源系统中寿命最短的器件,由于ESR导致 的发热,会加快电解电容报废,所以开关电源随着时间的推移,纹波电压会越来越大。

  解决ESR的问题

  ■解决方法是降低ESR阻值或降低流过ESR的电流,降低流过ESR的电流 比较麻烦,比较简单的方法是降低ESR阻值。

  ▶可以采用低ESR的电解电容替代普通电容,或者用多个电容并联来替代单个电容。

  ▶多个电容并联的方法缺点是占用大量的空间,在小体积电源中应用受限, 所以有时会用陶瓷和电解电容并联的方法,甚至用一种多层陶瓷电容替代 多个陶瓷电容。

  7 动态

  动态响应

  ■通常动态响应特指电源的输入,负载阶跃变化所导致的输出被扰动后 恢复正常的过程。

  ▶AC电源的输入为不间断交流,一般不关心输入的阶跃变化,动态响应通常 仅限于描述负载在一定范围内变化时的响应。

  ■通常定义空载为0%,满载为100%,然后用负载在某2个百分比之间的 切换来定义负载变化。

  ▶常用的负载变化有0-100,10-90,20-80,25-75,取决于应用,对于充电器这类 需要热插拔的应用,最大的变化在0-100。

  动态响应的指标

  ■动态响应一般有2个指标,一个叫过冲幅度,另一个叫稳定时间。

  ▶过冲幅度定义为输出偏离稳定值的幅度,有上冲和下冲。

  ▶稳定时间是负载开始变化到输出达到能接受的范围内的实际。

  动态响应和阶跃响应

  ■阶跃响应,指的是输入阶跃,输出跟着阶跃,也就是说输出要尽快的 变到目标值,而动态响应指的是负载阶跃,输出要尽快的稳定下来。 这两者在形式上不同,但本质是相同的。

  ▶以恒压输出为例,当负载突变时,为了维持电压恒定,需要调整电流,电 流调整的过程,通过负载就会表现出电压的波动,所以,负载的动态响应, 其本质就是负载-输出电流这个传递函数的阶跃响应。

  动态响应的系统框图

  ■将Load视为输入,IOUT和VOUT视为输出。

  ▶将Load视为输入后,REF就是固定值,整个系统的传递函数变为Load-IOUT 的传递函数。

  ▶对于负载非阻性的应用,比如电池等,也将其模拟为电阻。

  ■将一般性电源系统适用于动态响应的系统框图重画如下:

    

2.png

 



关键词: 开关电源 纹波

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