電源基礎(chǔ)知識(shí)介紹

電源基礎(chǔ)知識(shí)介紹電源和通用芯片技術(shù)組內(nèi)容提要簡(jiǎn)介開關(guān)電源的原理開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)電源基本指標(biāo)測(cè)試簡(jiǎn)介廣義上來(lái)講，目前任何一個(gè)電子設(shè)備都需要一個(gè)直流電源來(lái)供電這個(gè)直流電源可以是電池或是一個(gè)電源（PowerSupply）；大多數(shù)電源需要一個(gè)經(jīng)過輸入輸出濾波的，并且輸出是需要精確控制的，等等電源：把一種電能變換成所需要的電能形式的裝置。簡(jiǎn)介電源分類：1、電源按能量變換方向區(qū)分有以下四類：

AC/DC電源power；

DC/DC變換器converter；

DC/AC逆變器inverter；

AC/ACUPS/變頻器transducer；以上四類在通信系統(tǒng)中都有應(yīng)用，其中AC/DC電源與DC/DC變換器是應(yīng)用最廣的電源。簡(jiǎn)介2、按應(yīng)用環(huán)境區(qū)分：通信電源、工業(yè)電源、軍用電源、民用電源3、按結(jié)構(gòu)和功能區(qū)分：一次電源模塊、二次電源模塊、電源系統(tǒng)4、按設(shè)計(jì)原理區(qū)分：傳統(tǒng)的線性電源（包括單板內(nèi)使用的電壓調(diào)整器，利用開關(guān)管線性穩(wěn)壓）、現(xiàn)代開關(guān)電源（高頻DC/DC變換器）簡(jiǎn)介目前在我司數(shù)通產(chǎn)品上應(yīng)用的電源主要是AC/DC和DC/DC電源。不同點(diǎn)AC/DC電源的輸入電壓為交流；DC/DC電源的輸入電壓為直流，可以是電池或另外一個(gè)輸出為直流的電源；相同點(diǎn)輸出電壓都是經(jīng)過精密調(diào)整的直流電壓；采用的電壓變換技術(shù)基本都是PWM技術(shù)；都可以根據(jù)客戶的需求，提供原副邊的高頻隔離等；簡(jiǎn)介線性電源開關(guān)電源DC/DC變換器開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)線性電源1.線性電源的一般定義利用功率三極管或MOSFET放大區(qū)工作特性，和反饋網(wǎng)絡(luò)控制其導(dǎo)通特性并依賴自身的損耗，保持輸出電壓穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換裝置。主要包括如下幾個(gè)功能單元：整流變換：將AC輸入電壓變換成為直流輸出電壓；濾波：平滑整流輸出中所含有的紋波電壓；電壓變換功能：將交流的輸入電壓轉(zhuǎn)換為另一種合適的直流電壓；調(diào)整：實(shí)現(xiàn)在輸入電壓變化、負(fù)載變化以及溫度變化時(shí)，維持輸出恒定的功能；隔離：電源中原邊和副邊在電氣上的隔離；線性電源2):理想電源的特征

----穩(wěn)定的電壓輸出，（與輸入，負(fù)載，溫度及時(shí)間等的變化無(wú)關(guān)）；

----零輸出阻抗（對(duì)任何頻率）；

----100%的變換效率；

----純凈的直流輸出波形（無(wú)噪音及紋波）等....線性電源雖然有很好的調(diào)整率，但實(shí)際上，輸出電壓是隨著輸入電壓、輸出負(fù)載、工作溫度的變化等變化的；這些變化量是可以測(cè)量的，如：負(fù)載調(diào)整率，源調(diào)整率，溫度變化率等；3、實(shí)際電源的特性線性電源4):線性電源的結(jié)構(gòu)框圖線性電源開關(guān)管功率損耗：Iox（Vg-Vo）輸入功率：Pin=VgxIo5.典型的線性電源電路線性電源6、線性電源的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):---實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、小功率變換成本低廉

---低輸出紋波與噪音

---極好的電壓與負(fù)載調(diào)整率

---快速響應(yīng)時(shí)間

---無(wú)高頻開關(guān)紋波EMI

缺點(diǎn):---功率密度不高，大功率體積大

---低效率

---消耗鋼材

---保持時(shí)間短、控制特性不好線性電源7、線性電源典型應(yīng)用AC/DC電源 桌面辦公小功率終端設(shè)備（Adapter,10w-20w）：電話、MODEM、隨身聽、ISDN話機(jī)。。。DC/DC線性變換 小功率變換，電流一般小于3A，功率損耗一般建議小于2W；電路簡(jiǎn)單，占用單板面積小，典型器件：LM7805、LT1084、LT1085、等。 超低壓差電壓變換，例如使用LT1764、MIC29302，壓降滿足0.5V以上即可以輸出穩(wěn)定電壓。 利用線性變換降低開關(guān)電源的紋波，給紋波敏感電路（例如敏感模擬電路）供電，抑制開關(guān)紋波的干擾。線性電源8、線性電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)考慮因素：壓差輸出電流損耗功率輸入電壓范圍線性電源9、線性電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)實(shí)例開關(guān)電源開關(guān)電源定義：利用功率半導(dǎo)體器件使變壓器工作在高頻開關(guān)狀態(tài)（飽和導(dǎo)通或截止），利用L、C儲(chǔ)能并通過PWM控制獲得需要的電壓的裝置。1、開關(guān)電源的缺點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):---高效率、體積小;---高功率密度;---寬的輸入電壓范圍及帶載能力;---更多的功能,等.

缺點(diǎn):---高噪音及EMI;---慢響應(yīng)時(shí)間;---較差的調(diào)整率,etc.開關(guān)電源2、開關(guān)電源與線性電源的優(yōu)缺點(diǎn)比較內(nèi)容電源優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)線性電源電路簡(jiǎn)單體積大、重量大輸出紋波和噪聲小效率低源調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率高功率密度低動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快開關(guān)電源效率高EMI和紋波噪聲大功率密度高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較慢輸入電壓范圍和負(fù)載范圍寬調(diào)整率較低電源的功能多開關(guān)電源3、開關(guān)電源和線性電源的典型指標(biāo)比較指標(biāo)線性電源開關(guān)電源源調(diào)整率(%)0.02~0.050.05~0.1負(fù)載調(diào)整率(%)0.02~0.10.1~1.0輸出紋波(mV)0.5~2.0mVrms25~150mVp-p輸入電壓范圍(%)±10±50效率(%)40~6060~80(92)功率密度(W/in3)0.52.3(100)動(dòng)態(tài)響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間(us)0.5100~300保持時(shí)間(ms)232開關(guān)電源4、開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)電源5、DC/DC變換器原理框圖開關(guān)電源6、常用隔離DC/DC變換器拓?fù)浼肮ぷ髟斫榻B反激變換器適用與小功率應(yīng)用場(chǎng)合，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；噪聲較大；控制性能較難優(yōu)化；開關(guān)電源反激式工作波形波形開關(guān)電源單端正激變換：適用與中大功率應(yīng)用場(chǎng)合；噪聲小，控制性能容易優(yōu)化；被廣泛應(yīng)用；類型：諧振復(fù)位；三繞組復(fù)位；有源復(fù)位等開關(guān)電源正激式工作波形波形開關(guān)電源非隔離的DC/DC變換器基本的無(wú)隔離變換器拓樸

Buck變換器

Boost變換器

Buck/boost變換器

Basi

Cuk

變換器

Cuk

變換器

Sepic變換器

Zeta變換器開關(guān)電源

Buck（降壓）變換開關(guān)電源

Buck電路的特點(diǎn)：

1)Vo是Vs在Ts內(nèi)的平均值，因此Vo總比Vs小。變換器可以看作是低通電壓斬波器。

2)輸入電流是脈動(dòng)的，紋波大；輸出電流是連續(xù)的，紋波小。

3)應(yīng)該避免工作在斷續(xù)狀態(tài)，以防止開關(guān)管承受過高電壓，及續(xù)流二極管承受過大電流。開關(guān)電源Boost升壓變換器開關(guān)電源

Boost電路的特點(diǎn)1）輸入電流紋波小，輸出電流紋波大。開關(guān)管、二極管的電流總是脈動(dòng)的。過大的電壓、電流應(yīng)力容易損壞器件。2）連續(xù)方式下，紋波電流隨電感的增大而變小。3）在BOOST電路中，不能空載，否則輸出電壓很高，有可能損傷電路中器件。開關(guān)電源Buckboost變換器開關(guān)電源

Buck-Boost電路的特點(diǎn)1）輸出電壓與輸入電壓反相。2）電壓增益隨d變化，可以升壓也可以降壓。3）輸入輸出電流都是脈動(dòng)的，在應(yīng)用時(shí)需要加濾波器，以減少電磁干擾，電路較復(fù)雜。4）由于大電流脈動(dòng)，所以需要考慮開關(guān)管的電壓應(yīng)力和二極管的電流應(yīng)力。開關(guān)電源7、AC/DC開關(guān)電源實(shí)例開關(guān)電源AC/DC開關(guān)電源實(shí)例(續(xù))上面電路是一個(gè)典型的反激變換器，具有輸入電壓范圍寬（92V-270V）、體積小、電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；主要用于筆記本電腦、手機(jī)充電器、以及其他小功率設(shè)備。開關(guān)電源8、DC/DC開關(guān)電源實(shí)例開關(guān)電源DC/DC開關(guān)電源實(shí)例（續(xù)）控制功能端CNT（又名ON/OFF、Remote、Enable）：通過對(duì)CNT端高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)模塊輸出有效的使能。分正邏輯和負(fù)邏輯，分別對(duì)應(yīng)高、低電平使模塊輸出有效；輸出調(diào)整功能(TRM)：模塊通常允許±10％的輸出電壓調(diào)整，通過改變輸出電壓反饋回路中分壓比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的微調(diào)。通過TRIM端并聯(lián)電阻，來(lái)改變反饋回路的分壓值。根據(jù)調(diào)節(jié)誤差放大器輸入電壓采樣值或參考電壓值的不同方式，可分為正邏輯和負(fù)邏輯兩種模式。輸出線路壓降補(bǔ)償（Sense）：電源的輸出電壓反饋采樣一般都設(shè)計(jì)在輸出Pin上。在用戶板上當(dāng)負(fù)載線較長(zhǎng)，負(fù)載電流大時(shí)，導(dǎo)線上的壓降不可避免。為保證負(fù)載電壓為設(shè)定值，業(yè)界將采樣端從輸出Pin移到負(fù)載端的SensePin。設(shè)計(jì)中通過Vout與Sense間接一小電阻，作為線路壓降的分壓。以保證Sense端電壓近似于負(fù)載端電壓。Rs相對(duì)于R1、R2小很多，通常Rs取10Ω。缺陷是當(dāng)Vout接觸不良時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)Rs，容易燒壞電阻Rs。開關(guān)電源9、非隔離DC/DC開關(guān)電源實(shí)例BUCK型開關(guān)電源開關(guān)電源非隔離DC/DC開關(guān)電源實(shí)例（續(xù)）上面是一個(gè)我司單板最常用的一個(gè)BUCK降壓電路，控制器是TPS40071。Q2是同步整流開關(guān)管，對(duì)應(yīng)于前面提到的BUCK拓?fù)潆娐返亩O管D。開關(guān)電源10、開關(guān)電源其它常用功能介紹原邊CNT（ON/OFF）功能提供控制模塊關(guān)斷的邏輯功能原邊過溫保護(hù)（OTP）保護(hù)模塊工作于一定的溫度范圍內(nèi)，自身保護(hù)的一種原邊欠壓保護(hù)（UVP）自我保護(hù)的一種，同時(shí)也是保證系統(tǒng)正常工作的一種電路原邊限流保護(hù)（OCP）模塊自身的保護(hù)，保護(hù)在副邊電路發(fā)生故障時(shí)，不使故障擴(kuò)大副邊過壓保護(hù)（OVP）保護(hù)用戶電路在模塊發(fā)生故障時(shí)不會(huì)損壞副邊電壓調(diào)整功能（TRIM端）根據(jù)客戶的需要適當(dāng)調(diào)高/降低模塊的輸出電壓副邊輸出電壓補(bǔ)償功能（SENSE）補(bǔ)償用戶端線路壓降，保證用戶電路端的電壓滿足要求開關(guān)電源11、開關(guān)電源的特征總結(jié)---效率和尺寸 高頻隔離、高開關(guān)頻率→高功率密度---開關(guān)模式運(yùn)行 高的di/dt和dv/dt，電路中的雜散參數(shù)， 二極管的反向恢復(fù)等→高的輻射干擾，傳導(dǎo)干擾---開關(guān)干擾 傳導(dǎo)干擾：通過輸入輸出濾波器降低； 輻射干擾：通過金屬殼的屏蔽、PCB的布板等來(lái)解決；開關(guān)電源12、主要封裝對(duì)應(yīng)尺寸：(mm)1/4磚：57.9×36.8×12.7

半磚：61.0×57.9×12.73/4磚：87.6×61.0×12.7全磚：116.8×61.0×14.0開關(guān)電源13、電源模塊應(yīng)用主要參數(shù)：輸入電壓范圍：48V36V~72V24V18V~36V

輸出電壓范圍：額定±1％輸出額定電流：應(yīng)用中超過該額定值，輸出電壓跌落，通常模塊設(shè)計(jì)中會(huì)有一定的裕度。輸出額定功率：該指標(biāo)與輸出電流相對(duì)應(yīng)，在單板設(shè)計(jì)中，模塊功率降額通常為80%。輸出效率：同功率模塊，效率越低，發(fā)熱越嚴(yán)重。輸出紋波：≤50mV

負(fù)載調(diào)整率：±0.5%

電壓調(diào)整率：±0.2%電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1、輸入功率因數(shù)校正技術(shù)減少電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染

IEC-1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)主電路方案：

---無(wú)源波形矯正技術(shù)

---有源波形矯正技術(shù)兩級(jí)：BoostPFC前置級(jí)+DC/DC;

一級(jí)：包含一級(jí)PFC與DC/DC電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2、低電壓高功率密度DC/DC變換技術(shù)無(wú)負(fù)載快速瞬態(tài)響應(yīng)特性要求用于電信的DC/DC模塊48V或24V輸入

5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.0V、12V、15V、18V、24V、28V、48V單路或多路輸出功率從10W到150W體積從全磚、半磚、1/4磚、1/8磚電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3、低電壓高功率密度DC/DC變換技術(shù)

有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求，以超高速CPUdc/dc電源為代表的VRM（電壓調(diào)節(jié)器模塊）二類：非隔離VRM，隔離VRM

輸入:12V,24V,48V;

輸出:2.5V,2.0V,1.8V,1.5V,1.2V,1.0V;

負(fù)載:0Ato70A;

變化率:30A/us(present)to150A/us(future)

高的輸出調(diào)節(jié)特性電源基本指標(biāo)測(cè)試1、輸出電壓精度在額定輸入電壓和額定負(fù)載下，輸出電壓用電壓表測(cè)量，測(cè)量值與正常的額定值之間有一定的差別、這個(gè)差值用百分比來(lái)計(jì)算就是輸出電壓精度。Vo：由高精度的并進(jìn)過校正的直流電壓表所測(cè)得的輸出直流電壓；Vo(nominal)：規(guī)定的標(biāo)稱輸入電壓.accuracy：精度電源基本指標(biāo)測(cè)試2、輸入調(diào)整率（源效應(yīng)）額定的負(fù)載條件下，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時(shí)、被測(cè)電源的輸出端亦發(fā)生相應(yīng)的微小變化。這個(gè)輸出電壓隨輸入電壓變化的百分比稱為輸入調(diào)整率。電源基本指標(biāo)測(cè)試3、負(fù)載調(diào)整率（負(fù)載效應(yīng)） 在額定輸入電壓條件下，空載或最小負(fù)載下的輸出電壓和滿載輸出電壓的差值與額定負(fù)載下輸出電壓的百分比。它表征了負(fù)載變化對(duì)電源輸出電壓的影響程度。這種變化用百分比表示如下：Vo:額定負(fù)載下測(cè)得的輸出電壓Vo1:在無(wú)負(fù)載情況下及最小負(fù)載下測(cè)得的輸出電壓注:許多開關(guān)