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這些基礎都不知道?就別玩開關電源

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發(fā)表于 2024-8-29 07:38:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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+ k- Y) f/ M! Z/ I! C# j今天分享開關電源的一些基礎。01
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紋波與噪聲
& |' X* u- V) E" K* l- a5 P) l9 y$ H1、紋波開關電源的輸出并不是真正恒定的,輸出存在著周期性的抖動,這些抖動看上去就和水紋一樣,稱為紋波。紋波可以是電壓或電流紋波。通常用2個參數(shù)來描述紋波:1)最大紋波電壓:紋波的峰峰值。2)紋波系數(shù):交流分量的有效值與直流分量之比。3 z+ D* q6 z: S( }

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2、紋波產(chǎn)生的原因開關電源的紋波來自2個地方:1)低頻紋波:來自AC輸入的周期,電源對輸入的抑制比不是完美的,當輸入變化,輸出也會變化。2)高頻紋波:來自開關切換的周期,開關電源不是線性連續(xù)輸出能量,而是將能量組成一個個包來傳輸,因此會存在和開關周期相對應的紋波。如果是線性電源,是沒有開關紋波的,只有低頻紋波。! J8 L7 w. G2 d$ ^: b$ w0 U

& |* F- D) v, ?8 T3、紋波的影響最大紋波會決定輸出的峰值,本來輸出是穩(wěn)定的某個電壓或電流,由于紋波的影響,使得輸出的峰值比平均值高,這可能會損壞負載。比如,對LED來說,過高的電流會減少LED的壽命。過大的紋波系數(shù)會使得輸出的能量不均衡平滑,從而偏離了直流輸出這個要求。比如,對LED來說,過大的紋波系數(shù)會使得LED亮度變化,造成閃爍。如果開關電源用來驅(qū)動電池,LED燈這種負載,低頻紋波的影響更大,如果是驅(qū)動IC這種高速型負載,高頻紋波的影響更大。
  I: f7 M. q4 q- v* ~: U+ u4、紋波與噪聲紋波是由于AC周期或開關周期引起的輸出抖動,而噪聲是隨機耦合到輸出上的高頻信號,是不一樣的。/ {. r1 V  k7 n0 h
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調(diào)整率1、調(diào)整率電源在使用時,有兩個明顯變化的外部條件:輸入和負載。好的電源應該在輸入和負載發(fā)生變化時,依然能維持恒壓或恒流。將輸入或負載變化時,輸出偏離額定輸出的程度稱為調(diào)整率,比如輸入在最大最小值之間變化,測量輸出的偏差比率,為一個百分比,比如5%,就稱為調(diào)整率為±5%。注意區(qū)分調(diào)整率和紋波,紋波是輸出的動態(tài)特征,而調(diào)整率是讓電源工作在極限外部條件下,輸出的極限偏差。
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2、調(diào)整率類型1)輸入調(diào)整率其他條件不變,調(diào)節(jié)輸入時,輸出的偏差,對于AC電源來說,是以AC線的有效電壓作為變化區(qū)間,比如以180~264作為上下限來變化。有時還會調(diào)節(jié)AC的頻率,來看輸出是否有偏差,比如從47~63Hz區(qū)間。2)負載調(diào)整率其他條件不變,調(diào)節(jié)負載時,輸出的偏差。3)綜合調(diào)整率同時調(diào)節(jié)輸入和負載,找出最差的偏差。: D' T$ _/ Z  c2 c/ P
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( m& [/ p4 u$ C! I4 n恒流1、LED恒流驅(qū)動為什么照明用LED都是電流驅(qū)動?LED是二極管,而二極管的PN結(jié)的正向?qū)ㄗ杩故秦摐囟认禂?shù),隨著溫度的升高,二極管正向?qū)ㄗ杩菇档。如果用恒壓源?qū)動LED,隨著LED工作,溫度開始升高,溫度升高后,正向?qū)ㄗ杩菇档,由于I=U/R,電流升高,且由于功率P=U*I,功率也增加,LED發(fā)熱更厲害,進一步刺激溫度升高,陷于惡性循環(huán),直到LED損壞。恒壓源驅(qū)動時,溫度和電路是一對正反饋。所以照明LED都是恒流驅(qū)動,如果是非照明,LED幾乎沒有溫升,此時可以用恒壓驅(qū)動。- ]) o% X8 r  y  k; g; q4 s
2、恒流精度恒流精度和其他的恒壓效果一樣,體現(xiàn)在幾個方面。1)當負載發(fā)生變化時,電源輸出的電流的恒定程度。在實際應用時,多個不同的LED串不可能阻抗特性完全相同,將這些不同的負載接到電源上后,電流的誤差就定義為恒流精度。不光是多負載,同一個LED,溫度不同時,阻抗特性也不同,不同溫度下電流也是有誤差的,但這和前面的條件本質(zhì)還是一樣,都是負載變化。因此在測試恒流精度時,需要使用電子負載,讓負載在合理的范圍內(nèi)變化,測量電壓的電流誤差。2)當電源內(nèi)部元件參數(shù)變化時,電源輸出的電流的恒定程度。這并不是標準的恒流精度的定義,但目前很多電源都是有這個要求,其中一個重要的指標是儲能元件,比如電感,或變壓器,感值存在誤差時,電源輸出電流的恒定度?紤]到成本因素,儲能元件在加工時偏差是很大的,所以,電源應當設計成對儲能元件的感值不敏感。
& p5 b* D& ?- p( g1 N3、鋰電池恒流驅(qū)動便攜式設備所用的鋰電池,在不同電量的情況下,電壓是不同的,以手機所用的鋰電池為例,電池在滿能量時約4.2V,低能量時約2.5V。如果使用恒壓源對電池充電,當電池電量較低時,充電電流會極大,相當于電壓源接到電容上,會損壞電池。損壞的原因是大電流帶來的大發(fā)熱。為了限制大電流,目前的充電器都是使用恒流-恒壓充電,當電池電壓低時,使用恒流輸出。; L9 `8 J* |$ q1 H
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# L; I9 Z/ S8 ?6 T: X9 n沖擊與浪涌1、沖擊電流如果負載為一個容性負載,將一個電壓源直接加到負載上時,會產(chǎn)生一個非常大的電流,這個電流就稱為沖擊電流。過大的沖擊電流會使得交流線上的保護電路識別為短路,會導致空氣開關跳閘,熔斷保險絲等問題。對于AC電源來說,將電源接到AC線上的一瞬間,AC電源本身就是一個容性負載,假如此時電源的負載處在滿負荷狀態(tài),且AC線正處在峰值電壓處,會產(chǎn)生最大的沖擊電流。2 C/ R4 t* N+ M0 i" e
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2、浪涌(電壓)閃電,雷擊等會在電網(wǎng)上制造時間非常短的高電壓脈沖或者高能量脈沖。這種過壓通常是由專門的保護器進行保護,比如浪涌放電器。大功率設備斷開或接入電網(wǎng)時,會使得電網(wǎng)電壓上升或跌落。為了保護電源,有時會使用一個壓敏電阻接在輸入端。壓敏電阻的阻值和其上的電壓有關,當電壓變大時,阻值降低。為什么壓敏電阻不能包含雷擊等產(chǎn)生的脈沖,因為這種浪涌有可能是同時出現(xiàn)在L線和N線上的。& Z) b1 |  I  ?! B3 T# d6 @" \: g$ ~

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效率與待機功耗1、效率和待機功耗這兩個概念很簡單,但有一點需要理清,就是電源在工作時:
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! A/ b) ~6 _7 y雖然待機功耗就是電源本身的全部損耗,但是在電源帶負載時,電源本身的功耗要大于待機功耗。電源本身的功耗主要來自于電感/變壓器的損耗,開關管的損耗,二極管的損耗,這些損耗都和切換頻率有關,而目前的開關電源,在輸出功率很低時,都會將頻率降低以節(jié)能,所以電源本身的功耗在帶負載工作時和待機時是完全不同的。但是效率是隨著負載消耗增加而升高的,這個很好理解,待機時效率為0,而帶負載時,電源本身功耗的增加跟不上負載消耗的增加。
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ESR1、電容ESR開關電源都需要在輸出加一個電容,將切換電路投遞過來的斷續(xù)能量平滑成穩(wěn)定的線性輸出,這個電容的重要性不言而喻。一個非理想因素就是所有的電容都有等效串聯(lián)電阻(ESR),這個電阻會導致一系列問題。電容穩(wěn)壓的原理就是當VO電壓上升時,吸入電流,將能量存儲于電容,當VO電壓下降時,吐出電流,釋放能量。這個過程中,電流始終流過ESR。- m) ^; N* e, z3 U
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2、ESR導致的紋波ESR是輸出高頻電壓紋波的罪魁禍首,當電容儲能和釋能時,電流方向相反,因此輸出在VO=VC+VESR,和VO=VC-VESR之間切換,ESR越大,紋波電壓越大。
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% q; l/ J' g" m' ~* E2 d' s5 g3、電解電容ESR的危害為了降低成本,通常輸出電容會使用偏移的電解電容,但是電解電容的ESR是較高的。ESR大小:電解電容>鉭電容>陶瓷電容。對于電解電容來說,高紋波電壓倒在其次,要命的是ESR會導致電容發(fā)熱,電流越大,發(fā)熱越厲害,發(fā)熱越厲害,電解電容的電解液蒸發(fā)得越快,隨著電解液的蒸發(fā),ESR加大,發(fā)熱更高,陷入惡性循環(huán)。電解電容本身就壽命不高,是電源系統(tǒng)中壽命最短的器件,由于ESR導致的發(fā)熱,會加快電解電容報廢,所以開關電源隨著時間的推移,紋波電壓會越來越大。. d3 y6 h* K: d2 J' Q
4、解決ESR的問題解決方法是降低ESR阻值或降低流過ESR的電流,降低流過ESR的電流比較麻煩,比較簡單的方法是降低ESR阻值?梢圆捎玫虴SR的電解電容替代普通電容,或者用多個電容并聯(lián)來替代單個電容。多個電容并聯(lián)的方法缺點是占用大量的空間,在小體積電源中應用受限,所以有時會用陶瓷和電解電容并聯(lián)的方法,甚至用一種多層陶瓷電容替代多個陶瓷電容。# N7 A/ f& Q) u$ K
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. p5 E9 |  G" o, U1 `  j8 j動態(tài)1、動態(tài)響應通常動態(tài)響應特指電源的輸入,負載階躍變化所導致的輸出被擾動后恢復正常的過程。AC電源的輸入為不間斷交流,一般不關心輸入的階躍變化,動態(tài)響應通常僅限于描述負載在一定范圍內(nèi)變化時的響應。通常定義空載為0%,滿載為100%,然后用負載在某2個百分比之間的切換來定義負載變化。常用的負載變化有0-100、10-90、20-80、25-75,取決于應用,對于充電器這類需要熱插拔的應用,最大的變化在0-100。2、動態(tài)響應的指標動態(tài)響應一般有2個指標,一個叫過沖幅度,另一個叫穩(wěn)定時間。過沖幅度定義為輸出偏離穩(wěn)定值的幅度,有上沖和下沖。穩(wěn)定時間是負載開始變化到輸出達到能接受的范圍內(nèi)的時間。
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4 o% N; [% N) ]4 u3、動態(tài)響應和階躍響應階躍響應,指的是輸入階躍,輸出跟著階躍,也就是說輸出要盡快的變到目標值,而動態(tài)響應指的是負載階躍,輸出要盡快的穩(wěn)定下來。這兩者在形式上不同,但本質(zhì)是相同的。以恒壓輸出為例,當負載突變時,為了維持電壓恒定,需要調(diào)整電流,電流調(diào)整的過程,通過負載就會表現(xiàn)出電壓的波動,所以,負載的動態(tài)響應,其本質(zhì)就是負載-輸出電流這個傳遞函數(shù)的階躍響應。
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; R9 [5 }* f) c7 L+ Q/ {. z4 r! N. n4、動態(tài)響應的系統(tǒng)框圖將Load視為輸入,IOUT和VOUT視為輸出。將Load視為輸入后,REF就是固定值,整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)變?yōu)長oad-IOUT的傳遞函數(shù)。對于負載非阻性的應用,比如電池等,也將其模擬為電阻。將一般性電源系統(tǒng)適用于動態(tài)響應的系統(tǒng)框圖重畫如下:
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