开关电源入门知识

只看该作者 · 2017-12-30 17:55

本帖最后由 junpeng324 于 2017-12-30 18:00 编辑

开关电源设计的一般考虑，在设计开关电源之前，应当仔细研究要设计的电源技术要求。电气性能：
电压：单相交流额定电压有效值 220V±20%
频率：频率范围 45-65Hz
电流：在满载运行时,输入 220V,小于 8A。在 264V时,冲击电流不大于 18A
效率：负载由 50％－100％为表 2.1值
功率因数：大于 0.90,负载在 50％以上,大于 0.95
谐波失真：符合 IEC 555-2 要求
启动延迟：在接通电源 3 秒内输出达到它的额定电平
保持时间：输入 176V有效值,满载,大于 10mS

只看该作者 · 2017-12-30 18:00

本帖最后由 junpeng324 于 2017-12-30 18:02 编辑

保护
输入：输入端保护保险丝定额为 13A.
输出过压：按表 1.1 设置过压跳闸电压,输出电压超过这个电平时,将使模块锁定在跳闸状态.通过断开交流输入电源使模块复位.
输出过流：过流特性按表 1.1 的给定值示于图 1.过流时,恒流到 60％电压,然后电流电压转折下降.(最后将残留与短路相同的状态)
输出反接：在输入反接时,在外电路设置了一个保险丝烧断(＜32A/ 55V)
过热：内部检测器禁止模块在过热下工作，一旦温度减少到正常值以下,自动复位.

只看该作者 · 2017-12-30 18:01

显示和指示功能
输入监视：输入电网正常显示.
输出监视：输出电压正常显示.(过压情况关断).
限流指示：限流工作状态显示.
负载指示：负载大于低限电流显示.
继电器：输入和输出和输入正常同时正常显示。
输出电流监视：负载从 10％到 100％,指示精度为±5％.
遥控降低：提供遥控调节窗口.

只看该作者 · 2017-12-30 18:01

系统功能
电压微调：为适应电池温度特性,可对模块的输出电压采取温度补偿.
负载降落：为适应并联均流要求，应能够调节外特性。典型电压降落 0.5％,使得负载从零到增加 100％,输出电压下降 250mV.
遥控关机：可实现遥控关机。

只看该作者 · 2017-12-30 18:01

电气绝缘
下列试验对完成的产品 100％试验。
1.在 L(网)和 N(中线)之间及其它端子试验直流电压为 6kV.
2.在所有输出端和 L,N及地之间试验直流 2.5kV.这检查输出和地之间的绝缘.
3.下列各点分别到所有其它端子试验直流 100V：电压降低(11和 12 脚)继电器接点(14,15 和 16 脚)状态选择-输入,输出和电流限制(3,4,5和 6 脚)
4.地连续性-以 25A,1 分钟检查,确认安全接地的阻抗小于 0.1Ω.

只看该作者 · 2017-12-30 18:02

可靠性
MTBF大于 100000 小时.
这些要求包括：输入电源，输入电压的类型－交流还是直流。交流电源的频率和电压变化范围，整流滤波方式，是否有功率因数要求？如果是直流电源，是直流发电机，还是蓄电池、抑或其它直流变换器？是电流源还是电压源？它们的变化范围和纹波大小。输出电压（电流）大小和调节范围，稳压（或稳流）精度，输出有几路？输出电流（或输出功率），输出纹波电压要求，是否需要限流？瞬态响应要求。负载特性：蓄电池，还是荧光灯，还是电机？这些电气性能之外，是军用还是民用？EMC 要求，环境温度。体积与重量要求。是否需要遥控，遥测或遥调？是否需要提供自检测，如此等等。设计出的电源必须满足这些要求。

只看该作者 · 2017-12-30 18:03

主电网电源
如果你购进国外电气设备，不管青红皂白就去插上电源，弄不好就可能烧坏设备电源。因此，要安全使用国外设备，要知道国外电网电源的种类和相关标准。如果你设计的产品是提供出口，也必须了解该地区的电网的标准。
首先世界上主电网的交流电源频率在美国是 60Hz，而在中国和欧洲是 50Hz。实际上，频率也有一定的变化范围，电网负荷重的时候，50Hz 可能降低到 47Hz；如果负载很轻时，60Hz 可能上升到63Hz。这是因为带动发电机的发动机转速不可能是没有调节公差的恒速运行。50Hz 供电的直流电源必须使用比 60Hz 供电更大的滤波元件，供电变压器铁芯更大或线圈匝数更多。其次电源电压在不同地区也不同：在中国，家用电器和小功率电气设备由单相交流 220V 供电，工业用电是三相 380V。在美国民用电源为 110V（有时是 120V），而家用电器，如洗衣机电源是208V，而工业用电是 480V，但是照明却是 277V，当然也有用 120V 的；在欧洲为 230V，而在澳大利亚却是 240V，如此等等。
以上的电网电压仅仅是其额定值，每一种电网都有允许偏差。例如电网随负荷变化时产生较大波动。在上世纪末我国电网改造前，电网电压波动范围高达 30%以上。随着国民经济发展，大量电厂建立，供电量充足，同时经过电网改造，合理输配电，目前在我国大多数地区供电质量明显提高，一般变化在 10%以内，即在 198V～242V 之间。但在铁道系统和某些边远山区变化范围仍可能达到 30%。因此，你设计的开关电源，必须迎合使用地区的供电情况，即使遇到意外情况，也能够安全运行而不发生故障。有时电网也可能丢失几个周波，要求有些电源能够不间断（保持时间）地工作，这就要求较大的输出电容或并联电池满足这一要求。电网还存在过压情况。雷击和闪电在 2Ω阻抗上,引起线与线电压和共模干扰可高达 6000V 电压。闪电有两种类型，一种是短脉冲，上升时间 1.2μs，衰减时间 50μs，另一种很高能量，衰减时间1ms。电网还有瞬态电压，峰值达 750V，持续半个电网周期，这主要是大的负载的接入或断开，或高压线跌落引起电网的瞬变。实际上工业电网面临的问题远不止这些，交流电网是一个肮脏的环境。你所设计的电源应当能够
在这个环境中工作，同时还要满足国际和各地区安全标准要求。

只看该作者 · 2017-12-30 18:12

电池
在通信，电站，交通要求不间断供电的地方，电池作为不可缺少的储能后备能源。大量移动通讯站和手机，以及电动汽车，助力电瓶车都依靠电池提供能量。风力发电和太阳能发电存储峰值能量作为后备能源。但是电池涉及到电化学和冶金学知识，已超出一般电气工程师的知识范畴。这里介绍一些使用电池基础知识，使你知道设计充电电源和使用电池供电时应注意的一些问题。利用电化学可逆原理做成的最基本的单元电池叫单体电池。典型的单体电池是由两个金属极板和构成它们之间导电通路工作介质组成，这种通路材料可能是液体或固体，与特定化学机理有关。这种结构关键在于是否能够更有效进行电－化学反应（可再充电，即二次电池，也称为蓄电池。不能再充电叫一次电池）。根据不同通路材料的安排，一个金属极板为电池的阳极－正极，另一个则为极负极。如将两个金属极板（阴极和阳极）接到电源上，电的作用改变了工作介质的化学状态，这就是储能。如将已储能的电池极板接到负载，材料化学作用放出电荷返回到原始状态，释放出电能。单体电池一般很低，例如铅酸蓄电池单体电池额定电压为 2V。因此较高电压的电池一般由许多单体电池串联成。应当注意：不要自己将电池连接成你需要的电压和容量，电池不能直接并联！你只能按制造厂系列产品选择你需要的电池容量和电压。如果在每个电池端串联一个二极管就可以并联。在电池工作范围内，电池看起来像一个理想电压源，但实际电源并非如此。首先，当充电时，端电压会升高；放电时，端电压会降低。这就说明蓄电池存在内电阻，图 1.1 是标称电流压 12V 的 NiH 电池的伏安特性，随着输出电流的增加，输出电压下降（类似正弦双曲线）。标称电压为 12V，电池放出电流为负，充电电流为正。电池放出小电流时，电池端有一个类似电阻的压降，电流加倍压降也几乎加倍；在大电流时，电压降增加减慢；在端电压下降到零以前，电流可以达到非常大的数值，但绝对不能将电池短路，如果将 NiH 电池输出短路将引起电池爆炸！其次，电池不是与频率无关的电压源，在充电和放电时，产生电化学作用需要一定的时间，等效为电容与内阻并联。此外，在典型开关频率20kHz 或更高时，电池有很大内阻抗。这是因为电池端子间，内部极板间存在小电感；例如，一个NiH（镍－氢）电池可能具有 200nH 的感抗，五个这样的电池串联（获得 6V 电压）有大约 1μH 电
感。如果开关频率为 200kHz，阻抗大约 1Ω。所以这时电池不是理想电压源，不可能吸收你的变换器产生的开关纹波，为此，通常在电池的两端并联一个电容，减少内电感的影响。电池输出电流和输出电压的关系还与温度以及电池剩余电荷量有关。如果放电电流太大，会损伤电池。几乎所有电池，如果在远低于它的工作温度下放电，也会损坏电池。例如密封铅酸电池在低于10℃不能工作,这就是为什么在很冷的天气发动不了你的汽车。制造厂标定电池的容量一般以电池具有的电荷量－安时（电流×时间＝电荷 AH）来表示。这使得电源设计者感到为难，你不能够简单得到电池输出参数与多大能量的关系，因为它等于电池容量乘以输出电压；何况输出电压又与输出电流有关。这些参数关系由制造厂以曲线形式提供的，而曲线似乎不能直接找到你设计需要的工作点，需要从这些曲线来回参照得到你需要的数据。你自己测试电池是不切实际的，因为每个制造厂制造的电池总有些小的差别，所以你不能假定每个电池具有相同的化学特性和安时定额，以及它们在同一场合具有相同的运行时间。另一个现象是自放电。如果你充好电的电池放置在那里，不接任何负载，它自己会逐渐失去存储的能量。失去能量所需要的时间与化学工作介质有关：如 NiH 电池 24 小时；密封铅酸蓄电池在温度 25℃下约 16 月容量损失 50%，温度升高 10℃,时间缩短一半。而某些锂电池可达几年不等。所以放置不用的铅酸电池一般每 3 个月得进行充放电维护一次。电池不可能无限期充放电使用，电池也有寿命。在一定时间范围内，电池经过多次充电/放电周期以后，不再能存储额定容量，这个时间就是电池寿命的终止。它取决于电池如何工作，它经历了多少个充电/放电周期，放电的深度如何等等。

只看该作者 · 2017-12-30 18:13

负载
开关电源供给各种不同的负载，各种负载都有自己的特性，负载对开关电源提出符合自己特性的要求。因此开关电源设计者必须了解负载特性，才能做好符合要求的电源。前面讨论了蓄电池一般特性，如果开关电源作为充电器对电池充电。则开关电源必须具有恒流充电和浮充能力。这里不再讨论。下面分别简要说明其它负载要求

只看该作者 · 2017-12-30 18:35

计算机电源
现代计算机要求电源高速切换。现在许多计算机电源为 3.3V，从数据库调出数据，要求电源能适应 30A/µs 负载跃变。举例来说，假定负载从零变化到 7A，花的时间小于 1µs。如果你的开关电源的带宽 20kHz，要变化到新的负载水平时间为 1/20kHz＝50µs，假设电流上升是线性的，那么你尚缺少的电荷是(7A/2)50µs=175µC，如果允许 3.3V 电压波动是 66mV，如果此瞬态能量由电容提供，你应当需要 175µC/66mV=3mF才能避免电压跌落超过允许值。值得注意的是你不能用一个 3300µF 电容达到这个目的，而是应当用许多小电容并联。这是因为母线上电压跌落并不是变换器的带宽限制，而是电容的 ESR 造成的。你需要最大 ESR 为 66mV/7A＝9mΩ的电容。如果每个电容的 ESR 近似为 100mΩ，需要 11 个电容并联，最好选择 300µF 的钽电容。当然这种计算是假定变换器输出到负载连线是无电感和电阻的，如果引线长，你就需要更高性能的电源。在以上计算中另一个假定是变换器有足够的大信号响应。稳定性在以后详细讨论，但你必须确定满足小信号响应误差放大器的摆率(slew rate)也应当是足够的，但这不总是正确的。变换器的大信号带宽不能大于小信号带宽，如果运放摆率较低，大信号带宽可能比较小。从以上的例子看到为使变换器体积减少，实质上是要变换器具有较宽带宽和高速放大器。在今天的工业界，这是继续推动开关电源向更高的开关频率（带宽不超过开关频率的一半）的主要原因，某些变换器的工作频率现在已达 2MHz，带宽 100kHz。

只看该作者 · 2017-12-30 18:36

要求低噪声
各种负载要求噪声是不同的。例如蜂窝电话电源中射频功率放大器要求低噪声。变换器电源提供放大器栅极和漏极（放大器由 FET 构成）电压，如果电源上有变换器开关频率的纹波，那么放大器输出也就有纹波，因为输出功率由栅极和漏极电压决定，通过改变这些电压来控制输出功率大小。而放大器输出是射频，纹波是载波频率的边带。由于纹波被接收机作为信号解调产生的边带，所以很容易看到你不需要的纹波（谐波）。有些情况就不一定。你的和提出要求的工程师研究研究，是否一定要很高的噪声要求，并告诉他，噪声要求越高，代价越大。要满足低噪声的要求，应当考虑电感电流在输出电容 ESR 上产生的峰峰值纹波和二极管及晶体管转换产生的开关噪声两者的造成纹波。在要求非常低噪声时，想用足够大的滤波电感和多个电容并联是不切实际的，一般在变换器输出加后续线性调节器或外加滤波环节。

只看该作者 · 2017-12-30 19:56

元件选择
开关电源在选定电路拓扑以后，就要进行电路设计。根据技术规范计算电路参数，再根据电路参数选择电路元器件。整个电路设计主要是正确选择元器件。而元器件有各自的属性：电压、电流、功率以及时间参数。但在教科书中很难找到电路设计计算参数与元器件参数之间的关系，不知如何选择恰当的元器件。例如你计算出电阻上损耗是 0.7W，你就选一个 1W 电阻。如果电路中电阻消耗的功率是 1W 的很短脉冲，并不需要 1W 定额的电阻。但是你怎样确定一个 0.5W 或 0.7W 电阻就可以承受这样的脉冲呢？

只看该作者 · 2017-12-30 19:57

电阻的类型
按电阻材料分，目前在电子电路中使用的电阻有碳质电阻、碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、压敏电阻和温度电阻（PTC－正温度系数，NTC－负温度系数）。电阻的一般特性如表

只看该作者 · 2017-12-30 19:59

功率定额
大家都知道不会让 1/4W 电阻损耗 1/2W。但什么是 1/4W 电阻？军方为增加电阻可靠性，不允许电阻损耗大于额定功率的一半（不管碳值还是金属膜）。为了满足这个要求，电阻生产公司供给军用的电阻自己减额，例如，不会让军用电阻损耗功率超过军用电阻定额的 70%。这就是说将 1W 电阻标为 0.5W 为此某些公司专门生产军用型电阻（即 RN55 或 RN60）总是减额 50％。即实际 1/2W 的电阻他们叫做 1/4W，完全搞糊涂了，外观看起来像一个 1/4W 电阻，你还得仔细查看手册是不是你需要的电阻。我们让 1/4W电阻损耗 0.25W，在手册标明电阻能够处理这个功率。然而，太热了－线绕电阻定额工作温度可能为 270℃，根本不能触摸，温度太高，并产生较大数值漂移。军用电阻仅是稳态工作定额的功率一半。让 1W 线绕电阻损耗仅 1W 功率，这种限制仅仅是稳（即许多秒或更长时间）要求。对于短时间，线绕电阻可以处理比额定功率大许多倍而不损坏。对于其它电阻类型电阻并不如此。你应当严格遵循其最大功率定额，尽管短时间没有问题，例如 100mW非线绕电阻损耗 100mW功率持续 100ms。
例子：有一个 100ms短脉冲加在一个 10Ω电阻上。功率P=(40V) 2 /10=160W，是不是需要 200W的电阻？Dal提供选择电阻的指南（表 3.4）。运用这个表，首先我们计算进入到电阻的能量，E=P×t=160W×0.1s＝16J，然后能量除以电阻,E/R=16J/10=1.6J/Ω。从表的第一栏找到每Ω焦耳大于计算值的项：第一个是 2.46J/Ω.向右找到大于 10Ω的电阻是 10.11Ω。再向上求得这可能是G-10 电阻，它是10W较大富裕的容量。Dal指出，这只是对 100ms脉冲且是线绕电阻有价值的。长脉冲应根据“短时过载”定额，而非线绕电阻取脉冲定额 4 倍于稳态定额。

只看该作者 · 2017-12-30 20:13

可变电阻
可变电阻是实验室可变功率电阻的一般名称。功率范围在数十瓦到 1kW 之间，作为可变电阻，可以用滑动臂短接部分线圈电阻，很明显，如果用电阻的一半，也只能损耗一半功率。如果 300W 变阻器，一半电阻你不能让它损耗大于 150W 的功率。实际上，你应当根据变阻器功率和阻值计算出变阻器允许的电流，只要允许电流不超过变阻器的电流限值，就大可不必担心调节负载时烧坏变阻器。但是，在调试有时未必能注意到负载电流大小，仍有可能超过电阻功率限值，最好的解决办法是与变阻器串连一个算好功率的固定电阻，这样即使可变电阻调到零，也不会损耗太大。

只看该作者 · 2017-12-30 20:15

电阻的电感

如上所述线绕电阻是有电感的，即使碳膜、金属膜或金属氧化膜等为增加阻值，通常刻成螺旋线增加电阻几何长度，也是具有电感量的。小功率电阻一般用在控制电路中，除非是用来检测电流，一般不注意电阻的电感问题。一般线绕电阻具有一定电感量，在典型开关频率显得感抗相当大，感抗可能大于电阻值，在电流跃变部分出现很大尖峰，不能正确反应电流波形和给出正确的电流读数。某些制造厂生产一种特殊的线绕无感电阻，具有很低的电感（虽然不为零），当然这种电阻价格稍高些。

只看该作者 · 2017-12-30 20:18

分流器
当要求检测电流时，可以采用霍尔元件、电流互感器。霍尔原理的电流互感器价格太高；电流互感器只是用于检测交流电流或脉冲直流电流的磁性元件。成本虽然比霍尔元件低，但也比较复杂，也不能测量恒定直流电流，测量直流电流通常采用分流器。分流器是一个温度系数几乎为零（锰铜）的金属条。分流器的尺寸按需要定。分流器是一个电阻，也具有电感，这就限制了它的应用。作为例子，100A 电流在分流器时满载产生 100mV 压降，（英美标准满载电流电压是 100mV 或 50mV,中国是75mV）。其电阻为 100mV/100A=1mΩ，分流器用金属大约 2.5cm长，具有电感为 20nH。这样器件的传递函数在频率为 f=1mΩ/（2π×20nH）＝8kHz 时为零。为减少电感的影响，可以加大检测电压（增加电阻值）或用多个金属条叠装并联来减少电感。在后面将讲到用差动放大消除分流器电感对的信号影响。有时接在电流通路中的检测电阻比较小，连线电阻（或压降）可以和检测电阻比较，大大影响测量精度，且不易控制。为了减少连线电阻影响，在设计 PCB 布线时，应当从检测电阻端专门用两根信号线接出电流信号，决不要就近接地，单独引出。为避免单线检测，制造商利用分流器原理生产专用检测电阻－四端电阻，在检测电阻两端再引出两个检测信号线，提供信号输出。PCB 导电线是一段铜箔，当然它也有电阻。有时测量精度要求不高，PCB 电路线电阻作为电流检测电阻。在这种情况下，既没有附加大的损耗，也不提高成本。当然，电阻精度由 PCB 线的尺寸精度决定，应当记住铜的温度系数约为 0.4％/℃，温度升高监测电压会随温度增加。

只看该作者 · 2017-12-30 21:38

电容和它的应用
在电源中应用相当多种类的电容，输出和输入滤波电容、高频旁路电容、谐振缓冲电容、电磁兼容滤波电容以及振荡定时电容等等。并且每种应用对电容要求不同，使用的电容种类也不同。如果你想完成你的电源设计，你必须在不同地方选择不同的电容。如下表。

只看该作者 · 2017-12-30 21:43

电容的类型
用在电源输出和输入端的最普遍的是电解电容。可以买到不同类型电解电容，但最常应用（最价廉）是铝电解电容,常说的电解电容就是指铝电解电容(CD)。还有鉭电解电容(CA)，有固鉭和液鉭。铝电解有非常多种类，并有你所需要的电压定额和容量（mF，和数百 V电压）,但尺寸比较大。钽电容比铝电容具有好得多的高频特性，但价格贵而且电压限制在 100V 和容量数百µF 以下。中功率电源输入最好选择铝电解电容，而输出低压采用贴片钽电容。当然贴片比插件的容量小而电压低。
定时和高频旁路通常采用陶瓷电容，有瓷介电容和瓷片电容(CC)。容量在几个 pF 到 1µF。还能够买到 MLC（多层陶瓷）型电容，多层电容的 ESR 极低且容量大，容量可达几百µF，可以代替钽电容。
另一类是塑料介质电容，有聚乙烯、涤纶（CL）、聚丙烯(CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂等薄膜电容。特别是聚丙烯用于很高的 dv/dt 电路中，像准谐振变换器和缓冲电路。纸介电容(CZ)高频交流损耗大，一般只用于低频滤波电路。

只看该作者 · 2017-12-30 21:44

ESR 和功率损耗
在电容手册中规定了电容的等效串联电阻(ESR),或者给出规定频率（例如电解电容为 120Hz）测试的损耗角tanδ＝ωCR ESR 。而你将它使用在高频电路中，例如用在 100kHz，这时电容的ESR是多少可能使你感到为难。而ESR与频率、温度和电压定额有关。在－25℃几乎是 25℃时的 3 倍。为预测电容的ESR，你必须知道工作频率时相差不大于 1 个数量级的ESR数据。例如，一个电源 100kHz的电流纹波峰峰值 1A，输出电压纹波峰峰值为 50mV。变化的电荷量为
1A×(1/100kHz)=10μC，要是电容没有ESR，需要电容量为C=Q/U=10μC/50mV=200μF。假定采用两个 100μF电解电容。100μF电容室温下典型的ESR为 100mΩ。为了将纹波降低到 50mV，需要ESR＝50mV/1A＝50mΩ，两个 100μF并联获得（这里仅考虑ESR的影响，如果再考虑电容量和ESR一起
对纹波电压影响，应当为 3 个 100μF电容并联）。但是在－25℃时一个电容的ESR为 300mΩ，实际上需要 6 个电容。在低温时 6 个电容 50mV，由于电容纹波电压仅 17mV，而电阻和电容的压降不同相，所以总的纹波电压大约U pp =[(50 2 +17 2 )] 1/2 =53mV。显然设计的滤波器很大。高频时ESR比电容量更主要，一般根据允许的纹波电压和预计的ESR选择电容量。由于ESR存在，在电容充放电电流产生电阻损耗(ESR)I 2 ，引起电容发热，这是影响电容寿命的主
要因素。这里电流是有效值。资料介绍，就目前生产的铝电解电容在很大电压范围内，大量统计得到常温下ESR×C=50~85×10－ 6 (s)。一般初始计算时取其平均值 65×10 － 6 (s)。再根据允许电压纹波选择电容量。选择了电容量以后，再根据电压定额修正ESR值。提供闭环稳定性设计

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