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1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2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31.1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！41.1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。51.2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。61.3.1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71.3.1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。81.3.1PWM和PFM波形比较91.3.2按变压器激励方式分1.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。图二101.3.3.1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11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121.3.3.1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：131.3.3.1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。141.3.3.2并联式开关电源的工作原理原理框图Ui24v151.3.3.2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161.3.3.2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。171.3.3.2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。18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初级次级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。191.3.3.3变压器耦合型开关电源原理框图201.3.3.3变压器耦合型开关电源V为开关调整管,Ｔ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；ＶD为脉冲整流二极管；Ｃ是滤波电容器，也有储能作用；ＲL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（Ｕce=0），则脉冲变压器初级线圈Ｌ1上产生的感应电压ＵL1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。211.4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。221.4开关电源和线性电源区别项目线性电源开关电源效率低（30%-50%）高（大于60%）尺寸大小重量重轻电路简单较复杂稳定性高普通纹波小大瞬时响应快普通工作频率50-100Hz20KHz成本低普通电磁干扰小大输入电压范围范围较小不可做直流输入范围较大可做直流输入用途任何电源系统任何电源系统可靠性可靠性较高但会因温度上升而降低降低温度影响将提高可靠性组装容易性变压器重，无法装印制板零件轻巧可安装印制板232.常用电气指标及测试方法242.1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。被测电源A最大负载交流或直流电流表SWV供电电源A252.2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μs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）。测试方框图供电电源启动电流测试工装数字示波器被测电源V满载262.2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）272.2启动冲击电流二、电源输入低电压（Vin≤75V）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0.1Ω即为启动冲击电流值。282.3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。小载满载满载小载VVV可调供电电源被测电源292.4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-Uo×100%Uod、对于多路输出，其它各路应与被测一路同时带满载。302.5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。312.7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，