考驗開(kāi)關(guān)電源性能的“幾個(gè)”概念 工程師必懂-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-12-04
本文主要講開(kāi)關(guān)電源性能的“幾個(gè)”概念，下面一起來(lái)看看，希望對大家有幫助。開(kāi)關(guān)電源不同于線(xiàn)性電源，開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉換會(huì )有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì )消耗電能的。電壓穩壓是透過(guò)調整晶體管導通及斷路的時(shí)間來(lái)達到。
1、紋波
開(kāi)關(guān)電源的輸出并不是真正恒定的，輸出存在著(zhù)周期性的抖動(dòng)，這些抖動(dòng)看上去就和水紋一樣，稱(chēng)為紋波。紋波可以是電壓或電流紋波。
通常用2個(gè)參數來(lái)描述紋波：
1）最大紋波電壓：紋波的峰峰值。
2）紋波系數：交流分量的有效值與直流分量之比。
2、紋波產(chǎn)生的原因
開(kāi)關(guān)電源的紋波來(lái)自2個(gè)地方：
1）低頻紋波：來(lái)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(huì )變化。
2）高頻紋波：來(lái)自開(kāi)關(guān)切換的周期，開(kāi)關(guān)電源不是線(xiàn)性連續輸出能量，而是將能量組成一個(gè)個(gè)包來(lái)傳輸，因此會(huì )存在和開(kāi)關(guān)周期相對應的紋波。
如果是線(xiàn)性電源，是沒(méi)有開(kāi)關(guān)紋波的，只有低頻紋波。
3、紋波的影響
最大紋波會(huì )決定輸出的峰值，本來(lái)輸出是穩定的某個(gè)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(huì )損壞負載。
比如，對LED來(lái)說(shuō)，過(guò)高的電流會(huì )減少LED的壽命。
過(guò)大的紋波系數會(huì )使得輸出的能量不均衡平滑，從而偏離了直流輸出這個(gè)要求。
比如，對LED來(lái)說(shuō)，過(guò)大的紋波系數會(huì )使得LED亮度變化，造成閃爍。
如果開(kāi)關(guān)電源用來(lái)驅動(dòng)電池，LED燈這種負載，低頻紋波的影響更大，如果是驅動(dòng)IC這種高速型負載，高頻紋波的影響更大。
4、紋波與噪聲
紋波是由于A(yíng)C周期或開(kāi)關(guān)周期引起的輸出抖動(dòng)，而噪聲是隨機耦合到輸出上的高頻信號，是不一樣的。
1、調整率
電源在使用時(shí)，有兩個(gè)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(shí)，依然能維持恒壓或恒流。
將輸入或負載變化時(shí)，輸出偏離額定輸出的程度稱(chēng)為調整率，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(gè)百分比，比如5%，就稱(chēng)為調整率為±5%。
注意區分調整率和紋波，紋波是輸出的動(dòng)態(tài)特征，而調整率是讓電源工作在極限外部條件下，輸出的極限偏差。
2、調整率類(lèi)型
1）輸入調整率
其他條件不變，調節輸入時(shí)，輸出的偏差，對于A(yíng)C電源來(lái)說(shuō)，是以AC線(xiàn)的有效電壓作為變化區間，比如以180~264作為上下限來(lái)變化。
有時(shí)還會(huì )調節AC的頻率，來(lái)看輸出是否有偏差，比如從47~63Hz區間。
2）負載調整率
其他條件不變，調節負載時(shí)，輸出的偏差。
3）綜合調整率
同時(shí)調節輸入和負載，找出最差的偏差。
1、LED恒流驅動(dòng)
為什么照明用LED都是電流驅動(dòng)？
LED是二極管，而二極管的PN結的正向導通阻抗是負溫度系數，隨著(zhù)溫度的升高，二極管正向導通阻抗降低。
如果用恒壓源驅動(dòng)LED，隨著(zhù)LED工作，溫度開(kāi)始升高，溫度升高后，正向導通阻抗降低，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(jìn)一步刺激溫度升高，陷于惡性循環(huán)，直到LED損壞。
恒壓源驅動(dòng)時(shí)，溫度和電路是一對正反饋。
所以照明LED都是恒流驅動(dòng)，如果是非照明，LED幾乎沒(méi)有溫升，此時(shí)可以用恒壓驅動(dòng)。
2、恒流精度
恒流精度和其他的恒壓效果一樣，體現在幾個(gè)方面。
1）當負載發(fā)生變化時(shí)，電源輸出的電流的恒定程度。
在實(shí)際應用時(shí)，多個(gè)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(gè)LED，溫度不同時(shí)，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(shí)，需要使用電子負載，讓負載在合理的范圍內變化，測量電壓的電流誤差。
2）當電源內部元件參數變化時(shí)，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(gè)要求，其中一個(gè)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(shí)，電源輸出電流的恒定度。
3、鋰電池恒流驅動(dòng)
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(mǎn)能量時(shí)約4.2V，低能量時(shí)約2.5V。
如果使用恒壓源對電池充電，當電池電量較低時(shí)，充電電流會(huì )極大，相當于電壓源接到電容上，會(huì )損壞電池。
損壞的原因是大電流帶來(lái)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(shí)，使用恒流輸出。
1、沖擊電流
如果負載為一個(gè)容性負載，將一個(gè)電壓源直接加到負載上時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)非常大的電流，這個(gè)電流就稱(chēng)為沖擊電流。
過(guò)大的沖擊電流會(huì )使得交流線(xiàn)上的保護電路識別為短路，會(huì )導致空氣開(kāi)關(guān)跳閘，熔斷保險絲等問(wèn)題。
對于A(yíng)C電源來(lái)說(shuō)，將電源接到AC線(xiàn)上的一瞬間，AC電源本身就是一個(gè)容性負載，假如此時(shí)電源的負載處在滿(mǎn)負荷狀態(tài)，且AC線(xiàn)正處在峰值電壓處，會(huì )產(chǎn)生最大的沖擊電流。
2、浪涌（電壓）
閃電，雷擊等會(huì )在電網(wǎng)上制造時(shí)間非常短的高電壓脈沖或者高能量脈沖。
這種過(guò)壓通常是由專(zhuān)門(mén)的保護器進(jìn)行保護，比如浪涌放電器。
大功率設備斷開(kāi)或接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì )使得電網(wǎng)電壓上升或跌落。為了保護電源，有時(shí)會(huì )使用一個(gè)壓敏電阻接在輸入端。
壓敏電阻的阻值和其上的電壓有關(guān)，當電壓變大時(shí)，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(shí)出現在L線(xiàn)和N線(xiàn)上的。
1、效率和待機功耗
這兩個(gè)概念很簡(jiǎn)單，但有一點(diǎn)需要理清，就是電源在工作時(shí)：
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(shí)，電源本身的功耗要大于待機功耗。
電源本身的功耗主要來(lái)自于電感/變壓器的損耗，開(kāi)關(guān)管的損耗，二極管的損耗，這些損耗都和切換頻率有關(guān)，而目前的開(kāi)關(guān)電源，在輸出功率很低時(shí)，都會(huì )將頻率降低以節能，所以電源本身的功耗在帶負載工作時(shí)和待機時(shí)是完全不同的。
但是效率是隨著(zhù)負載消耗增加而升高的，這個(gè)很好理解，待機時(shí)效率為0，而帶負載時(shí)，電源本身功耗的增加跟不上負載消耗的增加。
1、電容ESR
開(kāi)關(guān)電源都需要在輸出加一個(gè)電容，將切換電路投遞過(guò)來(lái)的斷續能量平滑成穩定的線(xiàn)性輸出，這個(gè)電容的重要性不言而喻。
一個(gè)非理想因素就是所有的電容都有等效串聯(lián)電阻(ESR)，這個(gè)電阻會(huì )導致一系列問(wèn)題。
電容穩壓的原理就是當VO電壓上升時(shí)，吸入電流，將能量存儲于電容，當VO電壓下降時(shí)，吐出電流，釋放能量。這個(gè)過(guò)程中，電流始終流過(guò)ESR。
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(shí)，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。
3、電解電容ESR的危害
為了降低成本，通常輸出電容會(huì )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(lái)說(shuō)，高紋波電壓倒在其次，要命的是ESR會(huì )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(zhù)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，是電源系統中壽命最短的器件，由于ESR導致的發(fā)熱，會(huì )加快電解電容報廢，所以開(kāi)關(guān)電源隨著(zhù)時(shí)間的推移，紋波電壓會(huì )越來(lái)越大。
4、解決ESR的問(wèn)題
解決方法是降低ESR阻值或降低流過(guò)ESR的電流，降低流過(guò)ESR的電流比較麻煩，比較簡(jiǎn)單的方法是降低ESR阻值。
可以采用低ESR的電解電容替代普通電容，或者用多個(gè)電容并聯(lián)來(lái)替代單個(gè)電容。
多個(gè)電容并聯(lián)的方法缺點(diǎn)是占用大量的空間，在小體積電源中應用受限，所以有時(shí)會(huì )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(gè)陶瓷電容。
1、動(dòng)態(tài)響應
通常動(dòng)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(dòng)后恢復正常的過(guò)程。
AC電源的輸入為不間斷交流，一般不關(guān)心輸入的階躍變化，動(dòng)態(tài)響應通常僅限于描述負載在一定范圍內變化時(shí)的響應。
通常定義空載為0%，滿(mǎn)載為100%，然后用負載在某2個(gè)百分比之間的切換來(lái)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(lèi)需要熱插拔的應用，最大的變化在0-100。
2、動(dòng)態(tài)響應的指標
動(dòng)態(tài)響應一般有2個(gè)指標，一個(gè)叫過(guò)沖幅度，另一個(gè)叫穩定時(shí)間。過(guò)沖幅度定義為輸出偏離穩定值的幅度，有上沖和下沖。穩定時(shí)間是負載開(kāi)始變化到輸出達到能接受的范圍內的時(shí)間。
3、動(dòng)態(tài)響應和階躍響應
階躍響應，指的是輸入階躍，輸出跟著(zhù)階躍，也就是說(shuō)輸出要盡快的變到目標值，而動(dòng)態(tài)響應指的是負載階躍，輸出要盡快的穩定下來(lái)。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(shí)，為了維持電壓恒定，需要調整電流，電流調整的過(guò)程，通過(guò)負載就會(huì )表現出電壓的波動(dòng)，所以，負載的動(dòng)態(tài)響應，其本質(zhì)就是負載-輸出電流這個(gè)傳遞函數的階躍響應。
4、動(dòng)態(tài)響應的系統框圖
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(gè)系統的傳遞函數變?yōu)長(cháng)oad-IOUT的傳遞函數。
對于負載非阻性的應用，比如電池等，也將其模擬為電阻。
將一般性電源系統適用于動(dòng)態(tài)響應的系統框圖重畫(huà)如下：
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
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