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开关电源基础知识,2009 年 02月,培训简介,培训目的：本次培训作为一个基础知识讲座，旨在使大家对开关电源的原理有一个基本认识，熟悉电源的指标和测试，以及了解电源的可靠性等知识。培训时间：1小时培训地点：,目录,1.开关电源基本原理1.1 线性电源和开关电源比较1.2 常用开关电源类别1.3 30W电源简介2.常用电气指标即测试方法2.1 测试仪器要求 2.7 稳压精度2.13抗电强度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2.16功率因素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,1.开关电源基本原理,1.1 线性电源和开关电源比较,线性电源一般用工频变压器将市电高压交流电转换为低压交流电，再经整流滤波成为一个直流电压，然后利用有源器件导通电阻的可变性将这个直流电压降至设定的输出电压。下图为一个简单的线性串联稳压电路：,1.1 线性电源和开关电源比较,随着电子元件和磁性元件的发展，越来越多的电子设备使用了开关电源。因为开关电源有相比线性电源1000倍以上的开关频率，因而在重量、体积、效率等方面具有明显的优势。开关电源的使用越来越广泛，如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、医疗设备、家用电器等都越来越多的应用了开关电源。,1.1 线性电源和开关电源比较,目前开关电源广泛采用的是PWM脉宽调制方式，即功率开关管的开关频率固定，通过调整开关管的导通、截止时间来达到稳定输出电压的目的。PWM开关电源可以实现AC-DC、DC-DC、DC-AC等升降压变换，根据电路拓扑的方式又基本可分为反激式、正激式、推挽式、半桥式、全桥式等等，还有一些从这些基本拓扑演变出来的其他方式。,1.2 常用开关电源类别,1.2 常用开关电源类别,1.反激式 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，开关管截止时释放能量。图二位双关正激的电路，功率可做得更大一些。,1.2 常用开关电源类别,3.半桥电路 可做大功率电源，输入开关管电压应力较低，输出全波整流效率高。,1.3 开关电源简介,下面我们用一个500W电源来介绍开关电源的各个组成部分及功能：,1.3 30W电源简介,输出整流滤波,功率变压器,MOS管,输入整流滤波,输入防浪涌电流,EMI滤波,PWM控制IC,1.3 30W电源简介,EMI电路:电源工作时，电源的功率开关管、变压器处于高频的开关状态，电压、电流的快速跳变会产生很干扰噪音，而EMI电路主要是阻止这些干扰噪声串入电网影响其它的电子设备，也能防止一部分电网的干扰噪音进入电源造成干扰。防浪涌电路：开机瞬间，输入交流经整流后给滤波电容充电，这时的充电电流非常大，容易造成整流桥、输入保险丝的损坏，通过输入串接电阻，防止输入瞬间点流过大，保护整流桥、保险丝等器件。PWM控制：由PWM控制芯片及外围电路组成，IC自身产生固定的开关频率，驱动功率开关管，根据输出反馈的信号，控制功率开关管的导通和截止时间，达到使输出稳压的目的。功率(开关)变压器：根据电路的方式作用也不同，但有一点是共同的，即通过初次极的匝比变化，可以得到不同的输出电压。,2.常用电气指标即测试方法,2.1 测试仪器要求,所有测试设备（计量用）应具有足够的分辨率、准确度和稳定度，以保证误差极限不超过规定量值的2%。测量仪器的误差应符合GB6592。电压表、电流表的精度不低于0.5级。测量端被测电源的源电压输入端与被测电源的所有输出端为测量端。,2.2 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。,2.3 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s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,2.3 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,trigger level:1V,trigger Mode: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）,2.3 启动冲击电流,二、电源输入低电压（Vin75V）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,trigger level:1V,trigger Mode: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0.1即为启动冲击电流值。,2.4 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。,2.5 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。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UO（可从测试数据中得到）。b、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（从测试数据可 得）。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。,2.6 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。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=(U-UO)/UO 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。,2.7 稳压精度,指标定义：在全输入电压范围及正交负载电流条件下电源稳定输出电压相对于其整定值的最大偏离比例范围。计算方法稳压精度=（U-UO）/UO 100%U为2.6中的输出电压范围上下限值。UO为输出电压整定值（输入电压为额定值，输出电流为一半额定电流时，测出的输出电压数值,2.8 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，在规定的带宽内，直流输出量对其平均值的周期和随机偏移。对规定带宽的周期与随机偏移而言。它可以用有效值与（或）峰峰值（Vp-p）表示。测量条件a、输入电压一般为额定值（具体依产品规格要求）。b、各路输出一般带上满载。c、测量端并联一个0.1F的无极性电容和一个10F的电解电容，如产品规格无要求则在测量端并联一个0.1F的无极性电容。测试方框图,2.8 输出纹波即杂音,测试方法a、先如图布置好测试电路。b、对于测试纹波应把示波器TIME/DIV调至10S左右，带宽设为20MHz，测量到的周期偏离值即为纹波。c、对于输出杂音电压测试，应把示波器TIME/DIV调至0.5S以便于测量其随机偏移的峰峰值杂音电压（VP-P），示波器带宽设为20MHz，在电源输出功率范围内调节电源输出负载，使Vp-p达到最大值。,2.9 瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）,测试条件a、开关机过冲电源输出各种负载组合。输入电压全范围。b、负载跃迁负载电流为标称值的25%50%25%和50%75%50%。输入电压在全电压范围内。测试方框图,2.9 瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）,测试方法a、如图布置好测试电路b、将数字示波器设置到正常捕获状态。SLOPE为。c、然后即可开启电源，开启瞬间，示波器即会捕捉到一过冲信号，分别在以上各种条件下开启几次电源，取其中最大者，此即为开机过冲幅度。d、当电源在工作时，关闭电源，示波器即会捕捉到输出电压下降信号，测量电压在下降之前的过冲值，在各种条件下多关闭几次电源，取其中最大者，即为关机过冲幅度。e、将示波器设为自动状态，把电子负载设为动态模式（在25%与50%额定电流之间阶跃或在50%与75%额定电流之间阶跃），开启电源及电子负载，测量其瞬态过冲幅度及瞬态恢复时间（可调节电子负载的开关周期时间以获得易于测量的波形；过冲幅度的测量需剔除毛刺部分）。,2.9 瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）,2.10 开机延时,指标定义：即自给电源提供工作电压到电源开始产生稳定输出之时间即为开机延时。测试条件a、电源输出满载。b、电源工作电压为额定值。测试方框图测试方法a、如图布置好测试电路。b、将数字示波器调节到相应的设置，开启供电开关，即可捕捉到电源输入电信号及输出信号。c、从示波器上测出电源刚接受输入之时到电源刚开始产生稳定输出量之时的间隔，即为开机延时。d、为保证测试数据的准确，测试之前必须把电源输入电容的电荷放完。,2.11 输出电压动态响应,输出电压保持时间,指标定义：即在电源关断输入后，其稳定输出电压仍然维持在所规定范围内的时间。测试条件a、输入电压为额定值。b、电源输出满载。测试方框图测试方法将数字示波器设置到相应状态，开启供电开关，正常工作之后关断供电开关，自输入电压开始关断到稳定输出电压开始跌落出所要求的范围之时间即为输出电压保持时间。,2.11 输出电压动态响应,输出电压上升时间,定义：电源开机时输出电压从其10%上升到其90%所需时间即为输出电压上升时间。测试条件a、输入电压为额定值。b、电源输出满载。测试方框图测试方法a、如图布置好测试电路。b、将数字示波器设置到相应状态，开启供电开关，输出电压从10%上升到90%的时间即为输出电压保持时间。,2.11 输出电压动态响应,输出电压跌落时间,定义：电源关机时输出电压从其90%下降到其10%所需用时间即为输出电压跌落时间。测试条件a、输入电压为额定值。b、电源输出满载。测试方框图测试方法将数字示波器设置到相应状态，开启供电开关，正常工作之后关断 供电开关，输出电压从90%下降到10%的时间即为输出电压跌落时间,2.12 保护电路,(输入过压、欠压及其恢复),定义：输入过压及恢复即为当电源输入电压高于某一值时，电源即自行关断输出,而当输入电压回落到某一值时，电源又自行恢复输出。输入欠压及恢复即为当电源输入电压低于某一值时，电源即自行关断输出，而当输入电压调高到某一值时，电源又自行恢复输出。测试条件a、电源输出为半载或按产品规格要求。测试方框图测试方法 a、如图布置好测试电路，如电压可调电源为AC电源，则其正弦波形应失真小。b、在相应的负载条件下让电源正常工作，慢慢调高供电电源的电压，直到电源输出关断，此时的输入电压值即为输入过压点。c、接着慢慢往回调低输入电压，直到电源又恢复输出，此时的输入电压即为输入过压恢复点。d、然后调低输入电压直到电源关断输出，此时的输入电压即为输入欠压点。e、接着再往回慢慢调高电压，直到电源恢复输出，此时的输入电压即为输入欠压恢复点。,2.12 保护电路(输出过压保护),定义：即当电源的输出电压由于内部或外部的原因增高到某一规定范围内的值时，电源的输出即自行关断或不能够再升高。测试条件a、一般情况下，电源输出为小载。b、电源输入电压为额定值。测试方框图测试方法内调法：（在输出电压取样电阻上并上电位器，具体情况应询问产品负责人）。a、如图1布置好测试电路。b、让电源按相应条件工作。c、用螺丝刀调节并上的电位器，使输出电压慢慢升高，直到电源的输出突然关断或限压（不再升高），此时的输出的电压值即为输出过压点。外调法：（如果电源可以使用外调法，具体情况询问产品负责人）。a、如图2布置好测试电路。b、在合上开关K之前，先调节直流电源电压约等于此路的输出电压。c、合上开关K，再慢慢调高直流电源的电压直到另一路输出关断（如果只有被测一路则可用示波器观察开关MOS管的VDS波形，输出过压之后，其VDS波形即关断或跳跃），此时的直流电源电压值即为输出过压点。,2.12 保护电路(输出限流),定义：即电源在一定范围内以适当的方式限制其输出电流的最大值。测试条件a、输入电压为额定值。b、其它条件依据技术要求。测试方框图测试方法a、如图连接好测试装置。b、开启电源，调节电子负载，使输出电流慢慢增大，直至符合测试条件（如：电流不再增大或输出电压刚好超出下限或电源关断输出等）。c、此时达到条件下的输出电流即为输出限流值。,2.12 保护电路(输出短路),定义：即为电源具有输出短路保护功能。测试方法a、先布置好测试电路。b、让电源在要求的负载条件下工作。c、把输出正负极短路（应在靠近输出端子处短路，短路时间依规格要求），然后再断开，电源应输出正常。d、亦可先把正负极短路（要求同上），然后再开启电源，短路去除后电源应输出正常。,2.13 抗电强度,定义：抗电强度，是为了符合安全要求，在电源输入与输出，输入与大地，输出与大地之间施加所要求的电压进行绝缘性能的测试。测试条件a、电源不工作，如有防雷电路则应去掉。b、某一被测极应全部短接。测试方框图测试方法a、如图1把电源各被测极（输入或输出或大地）分别短接。b、把耐压测试仪开启，（输出处于关闭）预置相应的漏电流值和90S的测试时间。c、把耐压仪两极的夹子分别夹住电源被测极（注意夹子夹稳，勿触碰任何导电物体，特别是人体）。d、启动测试钮，慢慢提升试验电压，如无异常情况或超漏，一直提升到所要求的试验电压，然后保持一分钟，并记录漏电流值，即可复位测试仪，把耐压仪输出回复到0，然后开始另一组测试，如有不合格情况（如：击穿超漏，爬电等）应立即予以改正。e、开启泄漏电流测试仪。f、从测试仪处提供电源工作电压，并把电压提高到电源输入电压最大值，观察此时测试仪的泄漏电流值，即为电源的泄漏电流值。g、最后关闭测试仪。,2.14 绝缘阻抗,定义：绝缘阻抗是通过在被测两极（输入、输出或大地）之间，施加500VDC或1000VDC 电压计算出来的电阻值；接地电阻是在电源接地端子与接地元器件之间，通过施加一规定大小的电流来测量到的电阻值。测试条件a、电源不工作。b、接地电阻测试适用于类保护设备。c、如果被测电路的电流额定值16A，试验电流、试验电压和试验时间应如下确定：试验电流为被测电路电流额定值的1.5倍:和试验电压不应超过12V；和试验时间为60S。判定：根据电压降计算出的保护连接导体电阻不应超过0.1。d、如果被测电路的电流额定值超过16A，试验电流和试验时间为如下值：2倍的电路电流额定值进行2min；或对直流供电的设备由制造厂商规定。判定：保护连接导体的电压降不应超过2.5V。,2.14 绝缘阻抗,测试方框图测试方法a、如图1连接好测试线路。b、用绝缘电阻测试仪测试电源输入、输出及大地三者之间的绝缘电阻值。c、如图2连接好测试电路。d、用接地电阻测试仪测量出电源的接地电阻值。,2.15 效率,定义：即为电源把其输入有功功率转换为有效输出功率的能力。测试条件a、输入电压一般为额定值。b、输出满载。测试方框图测试方法a、先如图布置好测试电路。b、各路输出电压、电流的测量，应同时进行。c、开启所有设备，记录输入功率数值及各输出电压、电流值。d、计算出输出功率值Po=UoIo+UoIo+。效率=(Po/Pi)100%（Pi电量测量仪上显示的输入功率）。,2.16 功率因素及谐波,定义：PF=有效功率/视在功率电源输入电压为正弦波,输入电流I2=I12+I32+In2I1为50Hz基波，I3为三次谐波如果I1与输入电压相位差为a,则有效功率为V*I1cosaPF=I1cosa/I测试条件a、输入电压一般为额定值。b、输出满载。测试方框图测试方法由于需要对输入电压和电流作快速傅立叶数学变换，所以需要用专门的功率测量仪器来测量，从而直接测量出PF和各次谐波分量,3.电源可靠性,电源是在进行能量的处理，其内部器件要承受高电压、大电流、高功率和热量损耗，是整机中容易发生故障的一个部件，因此它的可靠性对整机可靠性有非常重要的意义。据统计显示：引起设备不可靠的原因设计错误约占1/3，元器件质量约占1/3，制造、操作和维护约占1/3。其实后两方面也与设计阶段的考虑不周有关。为了取得高可靠性，必须从设计阶段就开始考虑可靠性的问题。,3.1 电源可靠性设计原则,优选线路。电路设计中尽量多利用标准化的电路或是经过考验可靠性高的电路，并且应尽量采用成熟的技术。电路设计遵循简化原则。在保证设计功能和指标的前提下尽可能以最简单的线路和最少量的元器件来实现设计，减少元器件数量的同时也要压缩品种数可规格。从可靠性角度出发不能为了性能的少许改进而增加大量元器件，要有足够的容差设计和最坏情况设计。也就是要考虑元器件参数的公差、漂移以及随环境条件的变化等因素。正确选用元器件，并针对元器件工作应力合理进行降额设计。正确选用元器件的类型是首要的，这需要设计者对每种器件的类型有足够的认识。选定类型后再进行降额设计，降额是指元器件在低于其额定值的应力条件下工作。按照元器件类型和降额曲线分别进行温度、电压、功率的降额设计。提高可靠性的方法除了进行良好设计外，还可以通过实验方法进行，其过程是不断恶化产品的环境条件（电压、温度等）直至失效，就可找到最薄弱的环节，然后改进该环节，再继续恶化环境条件，该方法是比较实用的一种方法。,3.2 电源可靠性指标及测试,可靠性的衡量是失效率或是平均无故障时间MTBF，两者互为倒数。MTBF可以进行计算或是通过试验来测定和验证，国内多采用试验验证方法，依据GB/T 5080.7-1986采用定时（定数）截尾试验方案，进行是否达到预定MTBF的判断。MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“Mean Time Between Failure”。是衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标。单位为“小时”。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。开关电源的MTBF一般不能低于200000小时。所谓“可靠性”，就是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；反之，产品或其一部分不能或将不能完成规定的功能是出故障。概括地说，产品故障少的就是可靠性高，产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“失效率”（Failure rate），常用表示。例如正在运行中的100只开关电源，一年之内出了2次故障，则每个电源的故障率为0.02次/年。当产品的寿命服从指数分布时，其故障率的倒数就叫做平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures），简称MTBF。即：MTBF=1/通常作可靠性实验的时间都很长，可以用加速老化实验的方法来减少实验时间，从而尽快暴露设计中的问题。加速实验需要仔细衡量被恶化的指标如环境温度，震动参数，负载条件等对寿命的影响，从而科学地得出可靠性。,3.3 电源的寿命,影响开关电源寿命的因素很多，如负载大小、振动和周边的工作环境(如电网环境、温度、自然环境等）。其中，环境温度很重要，国外统计资料表明，电子元器件工作温度每升高2，可靠性下降10%，所以选择合适的散热方式，排放出由开关电源内部的热量非常关键。开关电源的MTBF，在很大程度上是由其内部的电解电容器MTBF值所决定的。因随着温度的上升，电容器的寿命急剧缩短，所以开关电源的工作温度如能得到降低，其寿命就会更长。由于LED电源工作环境的温度一般都较高,所以适当的选择电解电容对于电源的寿命就显得极为重要。,