开关电源基础知识范例

1开关电源基础知识2009年02月2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：3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1.330W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41.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：51.1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。61.1线性电源和开关电源比较线性电源开关电源工作频率50~100HZ20KHZ效率50%60~100%体积大小技术简单复杂成本小功率时低大功率时高小功率时高大功率时低电网干扰小大7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81.2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。91.2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。101.3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：EMI电路PFC防浪涌电路整流滤波AC-DC变换PWM控制器输入过欠压保护整流滤波输出稳压控制输出过流保护DC-DC变换PWM控制输出过流保护输出过压保护输入告警111.330W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IC121.330W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。132.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。142.2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。被测电源A最大负载交流或直流电流表SWV供电电源A152.3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162.3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,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）172.3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。182.4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。小载满载满载小载VVV可调供电电源被测电源192.5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5.4.3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4.3.4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。202.6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。212.7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222.8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Vr.m.s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0.1μF的无极性电容和一个10μF的电解电容，如产品规格无要求则在测量端并联一个0.1μF的无极性电容。测试方框图C被测电源示波器、杂音计、选频表纯电阻负载V供电电源232.8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10μS左右，带宽设为20MHz，测量到的周期偏离值即为纹波Vr.m.s。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。242.9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。测试方框图供电电源被测电源电子负载数字示波器V252.9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）。262.9瞬态响应（开关机瞬态，负载瞬态）272.10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。满载被测电源供电电源数字示波器282.11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。满载数字示波器被测电源供电电源292.11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。被测电源满载数字示波器供电电源302.11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%