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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l 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l 这个直流电源可以是电池或是一个电源（Power Supply）；l 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n 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：n AC/DC 电源 power；n DC/DC 变换器 converter；n DC/AC 逆变器 inverter；n AC/AC UPS/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：n 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：n 一次电源模块、二次电源模块、电源系统4、按设计原理区分：n 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）、n 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。n 不同点n AC/DC电源的输入电压为交流；n 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；n 相同点n 输出电压都是经过精密调整的直流电压；n 采用的电压变换技术基本都是PWM技术；n 都可以根据客户的需求，提供原副边的高频隔离等；简介n 线性电源n 开关电源n DC/DC变换器n 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n 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：n 整流变换：将AC输入电压变换成为直流输出电压；n 滤波：平滑整流输出中所含有的纹波电压；n 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；n 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；n 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；3、实际电源的特性线性电源n 4):线性电源的结构框图线性电源开关管功率损耗：Io x（Vg-Vo）输入功率：Pin=Vg x Io5.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n 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。n 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：n 压差n 输出电流n 损耗功率n 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n 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n 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.n 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 0.05 0.05 0.1负载调整率(%)0.02 0.1 0.1 1.0输出纹波(mV)0.5 2.0 mVrms25 150 mVp-p输入电压范围(%)10 50效率(%)4060 6080(92)功率密度(W/in3)0.5 2.3(100)动态响应恢复时间(us)0.5 100300保持时间(ms)2 32开关电源4、开关电源的基本结构开关电源5、DC/DC 变换器原理框图开关电源6、常用隔离DC/DC 变换器拓扑及工作原理介绍n 反激变换器n 适用与小功率应用场合，拓扑结构简单；n 噪声较大；n 控制性能较难优化；开关电源n 反激式工作波形波形开关电源n 单端正激变换：n 适用与中大功率应用场合；n 噪声小，控制性能容易优化；被广泛应用；n 类型：谐振复位；三绕组复位；有源复位等开关电源l正激式工作波形波形开关电源n 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 Basi Cuk 变换器 Cuk 变换器 Sepic变换器 Zeta 变换器开关电源n Buck（降压）变换开关电源n 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。开关电源n Boost升压变换器开关电源n 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n Buckboost变换器开关电源n 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n AC/DC开关电源实例(续)n 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；n 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n DC/DC开关电源实例（续）n 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；n 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。n 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Sense Pin。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10。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n 原边CNT（ON/OFF）功能n 提供控制模块关断的逻辑功能n 原边过温保护（OTP）n 保护模块工作于一定的温度范围内，自身保护的一种n 原边欠压保护（UVP）n 自我保护的一种，同时也是保证系统正常工作的一种电路n 原边限流保护（OCP）n 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n 副边过压保护（OVP）n 保护用户电路在模块发生故障时不会损坏n 副边电压调整功能（TRIM端）n 根据客户的需要适当调高/降低模块的输出电压n 副边输出电压补偿功能（SENSE）n 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)n 1/4砖：57.936.812.7 n 半砖：61.0 57.912.7n 3/4砖：87.661.012.7 n 全砖：116.861.014.0 开关电源13、电源模块应用主要参数：n 输入电压范围：48V 36V72Vn 24V 18V36Vn 输出电压范围：额定1n 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。n 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%。n 输出效率：同功率模块，效率越低，发热越严重。n 输出纹波：50mVn 负载调整率：0.5%n 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：Boost PFC 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n 无负载快速瞬态响应特性要求n 用于电信的DC/DC模块n 48V或24V 输入n 5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.0V、12V、15V、18V、24V、28V、48V单路或多路输出 n 功率从10W到150Wn 体积从全砖、半砖、1/4砖、1/8砖电源技术的发展趋势3、低电压高功率密度 DC/DC 变换技术 有快速负载瞬态响应要求，以超高速CPU dc/dc电源为代表的VRM（电压调节器模块）二类：非隔离 VRM，隔离VRMn 输入:12V,24V,48V;n 输出:2.5V,2.0V,1.8V,1.5V,1.2V,1.0V;n 负载:0A to 70A;n 变化率:30A/us(present)to 150A/us(future)n 高的输出调节特性电源基本指标测试1、输出电压精度n 在额定输入电压和额定负载下，输出电压用电压表测量，测量值与正常的额定值之间有一定的差别、这个差值用百分比来计算就是输出电压精度。n Vo：由高精度的并进过校正的直流电压表所测得的输出直流电压；n Vo(nominal)：规定的标称输入电压.n accuracy：精度电源基本指标测试2、输入调整率（源效应）额定的负载条件下，输入电压在规定的范围内变化时、被测电源的输出端亦发生相应的微小变化。这个输出电压随输入电压变化的百分比称为输入调整率。电源基本指标测试3、负载调整率（负载效应）在额定输入电压条件下，空载或最小负载下的输出电压和满载输出电压的差值与额定负载下输出电压的百分比。它表征了负载变化对电源输出电压的影响程度。这种变化用百分比表示如下：Vo:额定负载下测得的输出电压Vo1:在无负载情况下及最小负载下测得的输出电压注:许多开关电源有负载范围,比如 20%-100%.Load Regulation:负载调整率电源基本指标测试4、输出纹波和噪声纹波和噪声是叠加在直流输出电压上的交流成分，在一次电源中纹波的频率大约是工频的2倍即100Hz。噪声主要是由PWM调节引起，一般电源的开关频率在100200KHz 之间，所以开关噪音的频率也在这个范围之内。非周期性随意出现的部分成为噪音。二次电源的纹波和噪声没有一次电源有规律，主要是由输出滤波电容的充放电、PWM调节和干扰引起。与电源开关频率同频的波动即纹波，高频杂波部分即噪声。电源基本指标测试纹波和噪声的组成：整流纹波（Rectified main RIPPLE），频率为100Hz左右，由整流器整流产生的；开关纹波（PWM frequency RIPPLE），频率为开关电源的开关频率，由开关管开通和关断产生的；开关噪声（Switching NOISE），开关噪声，由开关管开通和关断而引起的电压尖峰；噪声（NOISE），一般是由后级负载发生变化而引起的。纹波和噪声电源基本指标测试纹波和噪声的测试n 测量使用带宽20MHz 的示波器、对超过20MHz 的示波器要选择带宽限制。并使用无源探头。此指标的测量是在额定的负载、常温条件下测试的，常用毫伏有效值和毫伏峰峰值表示。n 测量时，应使探头地线夹和探头形成的环路尽量小，因为在被测电源的输出端附近、有较高的高频辐射。探头地线夹和探头形成的环路会象天线般感应到噪声而给纹波测试带来不必要的误差。推荐探头使用方法讨论