电源基础知识介绍

电源基础知识介绍电源和通用芯片技术组内容提要简介开关电源的原理开关电源技术发展趋势电源基本指标测试简介广义上来讲，目前任何一个电子设备都需要一个直流电源来供电这个直流电源可以是电池或是一个电源（PowerSupply）；大多数电源需要一个经过输入输出滤波的，并且输出是需要精确控制的，等等电源：把一种电能变换成所需要的电能形式的装置。简介电源分类：1、电源按能量变换方向区分有以下四类：AC/DC电源power；DC/DC变换器converter；DC/AC逆变器inverter；AC/ACUPS/变频器transducer；以上四类在通信系统中都有应用，其中AC/DC电源与DC/DC变换器是应用最广的电源。简介2、按应用环境区分：通信电源、工业电源、军用电源、民用电源3、按结构和功能区分：一次电源模块、二次电源模块、电源系统4、按设计原理区分：传统的线性电源（包括单板内使用的电压调整器，利用开关管线性稳压）、现代开关电源（高频DC/DC变换器）简介目前在我司数通产品上应用的电源主要是AC/DC和DC/DC电源。不同点AC/DC电源的输入电压为交流；DC/DC电源的输入电压为直流，可以是电池或另外一个输出为直流的电源；相同点输出电压都是经过精密调整的直流电压；采用的电压变换技术基本都是PWM技术；都可以根据客户的需求，提供原副边的高频隔离等；简介线性电源开关电源DC/DC变换器开关电源的技术发展趋势线性电源1.线性电源的一般定义利用功率三极管或MOSFET放大区工作特性，和反馈网络控制其导通特性并依赖自身的损耗，保持输出电压稳定的转换装置。主要包括如下几个功能单元：整流变换：将AC输入电压变换成为直流输出电压；滤波：平滑整流输出中所含有的纹波电压；电压变换功能：将交流的输入电压转换为另一种合适的直流电压；调整：实现在输入电压变化、负载变化以及温度变化时，维持输出恒定的功能；隔离：电源中原边和副边在电气上的隔离；线性电源2):理想电源的特征----稳定的电压输出，（与输入，负载，温度及时间等的变化无关）；----零输出阻抗（对任何频率）；----100%的变换效率；----纯净的直流输出波形（无噪音及纹波）等....线性电源虽然有很好的调整率，但实际上，输出电压是随着输入电压、输出负载、工作温度的变化等变化的；这些变化量是可以测量的，如：负载调整率，源调整率，温度变化率等；VoutIoutVouttIdealSupplyRealSupplyoutVoutoutVVgulationloadReP-PRipple3、实际电源的特性线性电源4):线性电源的结构框图变压器整流器滤波器线性调节器滤波器VacVoVac/NVac:110Vor220VVo调节器ViViNpNsN=Np/Ns线性电源RLVgVoR1SCprotectionR2VROVprotection)(212RRRVVRout开关管功率损耗：Iox（Vg-Vo）输入功率：Pin=VgxIo5.典型的线性电源电路线性电源6、线性电源的优点与缺点优点:---实现简单、小功率变换成本低廉---低输出纹波与噪音---极好的电压与负载调整率---快速响应时间---无高频开关纹波EMI缺点:---功率密度不高，大功率体积大---低效率---消耗钢材---保持时间短、控制特性不好线性电源7、线性电源典型应用AC/DC电源桌面办公小功率终端设备（Adapter,10w-20w）：电话、MODEM、随身听、ISDN话机。。。DC/DC线性变换小功率变换，电流一般小于3A，功率损耗一般建议小于2W；电路简单，占用单板面积小，典型器件：LM7805、LT1084、LT1085、等。超低压差电压变换，例如使用LT1764、MIC29302，压降满足0.5V以上即可以输出稳定电压。利用线性变换降低开关电源的纹波，给纹波敏感电路（例如敏感模拟电路）供电，抑制开关纹波的干扰。线性电源8、线性电压调整器的设计考虑因素：压差输出电流损耗功率输入电压范围线性电源9、线性电压调整器的设计实例开关电源开关电源定义：利用功率半导体器件使变压器工作在高频开关状态（饱和导通或截止），利用L、C储能并通过PWM控制获得需要的电压的装置。1、开关电源的缺点与优点优点:---高效率、体积小;---高功率密度;---宽的输入电压范围及带载能力;---更多的功能,等.缺点:---高噪音及EMI;---慢响应时间;---较差的调整率,etc.开关电源2、开关电源与线性电源的优缺点比较内容电源优点缺点线性电源电路简单体积大、重量大输出纹波和噪声小效率低源调整率和负载调整率高功率密度低动态响应速度快开关电源效率高EMI和纹波噪声大功率密度高动态响应速度相对较慢输入电压范围和负载范围宽调整率较低电源的功能多开关电源3、开关电源和线性电源的典型指标比较指标线性电源开关电源源调整率(%)0.02~0.050.05~0.1负载调整率(%)0.02~0.10.1~1.0输出纹波(mV)0.5~2.0mVrms25~150mVp-p输入电压范围(%)±10±50效率(%)40~6060~80(92)功率密度(W/in3)0.52.3(100)动态响应恢复时间(us)0.5100~300保持时间(ms)232开关电源4、开关电源的基本结构DC/DCConverterVoVoViViVacVac~110or220RectifierFilterDC/DCFilter开关电源5、DC/DC变换器原理框图功率变换控制电路输入滤波DC/DC功率级输出滤波VinVon辅助电源主控制电路驱动信号副边控制电路隔离副边保护电路(OV,CSOC,etc原边保护电路(OCP/OTP/LVP)其它控制电路VinCNTTrimSense开关电源6、常用隔离DC/DC变换器拓扑及工作原理介绍反激变换器适用与小功率应用场合，拓扑结构简单；噪声较大；控制性能较难优化；CoRVoD1NpNsVinSFeedbackErrorAmpIsolationPWMCiipis开关电源反激式工作波形波形inovNddv11VgsoutVsdTsTpisi开关电源单端正激变换：适用与中大功率应用场合；噪声小，控制性能容易优化；被广泛应用；类型：谐振复位；三绕组复位；有源复位等CoRVoNpNsVinSFeedbackErrorAmpIsolationPWMCiipisD1D2Lo开关电源正激式工作波形波形开关电源非隔离的DC/DC变换器基本的无隔离变换器拓朴Buck变换器Boost变换器Buck/boost变换器BasiCuk变换器Cuk变换器Sepic变换器Zeta变换器开关电源Buck（降压）变换LSDCRVoVin稳态输入/输出关系indVV0(0d1)开关电源Buck电路的特点：1)Vo是Vs在Ts内的平均值，因此Vo总比Vs小。变换器可以看作是低通电压斩波器。2)输入电流是脉动的，纹波大；输出电流是连续的，纹波小。3)应该避免工作在断续状态，以防止开关管承受过高电压，及续流二极管承受过大电流。VsRVoIs2开关电源Boost升压变换器LSDCRVoVin稳态输入/输出关系inVdV110(0d1)开关电源Boost电路的特点1）输入电流纹波小，输出电流纹波大。开关管、二极管的电流总是脉动的。过大的电压、电流应力容易损坏器件。2）连续方式下，纹波电流随电感的增大而变小。3）在BOOST电路中，不能空载，否则输出电压很高，有可能损伤电路中器件。开关电源Buckboost变换器LSDCVoVin稳态输入/输出关系inVddV10(0d1)开关电源Buck-Boost电路的特点1）输出电压与输入电压反相。2）电压增益随d变化，可以升压也可以降压。3）输入输出电流都是脉动的，在应用时需要加滤波器，以减少电磁干扰，电路较复杂。4）由于大电流脉动，所以需要考虑开关管的电压应力和二极管的电流应力。开关电源7、AC/DC开关电源实例开关电源AC/DC开关电源实例(续)上面电路是一个典型的反激变换器，具有输入电压范围宽（92V-270V）、体积小、电路简单的优点；主要用于笔记本电脑、手机充电器、以及其他小功率设备。开关电源8、DC/DC开关电源实例开关电源DC/DC开关电源实例（续）控制功能端CNT（又名ON/OFF、Remote、Enable）：通过对CNT端高低电平的控制，实现模块输出有效的使能。分正逻辑和负逻辑，分别对应高、低电平使模块输出有效；输出调整功能(TRM)：模块通常允许±10％的输出电压调整，通过改变输出电压反馈回路中分压比，实现输出电压的微调。通过TRIM端并联电阻，来改变反馈回路的分压值。根据调节误差放大器输入电压采样值或参考电压值的不同方式，可分为正逻辑和负逻辑两种模式。输出线路压降补偿（Sense）：电源的输出电压反馈采样一般都设计在输出Pin上。在用户板上当负载线较长，负载电流大时，导线上的压降不可避免。为保证负载电压为设定值，业界将采样端从输出Pin移到负载端的SensePin。设计中通过Vout与Sense间接一小电阻，作为线路压降的分压。以保证Sense端电压近似于负载端电压。Rs相对于R1、R2小很多，通常Rs取10Ω。缺陷是当Vout接触不良时，负载电流流经Rs，容易烧坏电阻Rs。开关电源9、非隔离DC/DC开关电源实例BUCK型开关电源开关电源非隔离DC/DC开关电源实例（续）上面是一个我司单板最常用的一个BUCK降压电路，控制器是TPS40071。Q2是同步整流开关管，对应于前面提到的BUCK拓扑电路的二极管D。开关电源10、开关电源其它常用功能介绍原边CNT（ON/OFF）功能提供控制模块关断的逻辑功能原边过温保护（OTP）保护模块工作于一定的温度范围内，自身保护的一种原边欠压保护（UVP）自我保护的一种，同时也是保证系统正常工作的一种电路原边限流保护（OCP）模块自身的保护，保护在副边电路发生故障时，不使故障扩大副边过压保护（OVP）保护用户电路在模块发生故障时不会损坏副边电压调整功能（TRIM端）根据客户的需要适当调高/降低模块的输出电压副边输出电压补偿功能（SENSE）补偿用户端线路压降，保证用户电路端的电压满足要求开关电源11、开关电源的特征总结---效率和尺寸高频隔离、高开关频率→高功率密度---开关模式运行高的di/dt和dv/dt，电路中的杂散参数，二极管的反向恢复等→高的辐射干扰，传导干扰---开关干扰传导干扰：通过输入输出滤波器降低；辐射干扰：通过金属壳的屏蔽、PCB的布板等来解决；开关电源12、主要封装对应尺寸：(mm)1/4砖：57.9×36.8×12.7半砖：61.0×57.9×12.73/4砖：87.6×61.0×12.7全砖：116.8×61.0×14.0开关电源13、电源模块应用主要参数：输入电压范围：48V36V~72V24V18V~36V输出电压范围：额定±1％输出额定电流：应用中超过该额定值，输出电压跌落，通常模块设计中会有一定的裕度。输出额定功率：该指标与输出电流相对应，在单板设计中，模块功率降额通常为80%。输出效率：同功率模块，效率越低，发热越严重。输出纹波：≤50mV负载调整率：±0.5%电压调整率：±0.2%电源技术的发展趋势1、输入功率因数校正技术减少电力电子设备对电网的污染IEC-1000-3-2标准主电路方案：---无源波形矫正技术---有源波形矫正技术两级：BoostPFC前置级+DC/DC;一级：包含一级PFC与DC/DC电源技术的发展趋势2、低电压高功率密度DC/DC变换技术无负载快速瞬态响应特性要求用于电信的DC/DC模块48V或24V输入5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.0V、12V、15V、18V、24V、2