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            開關電源專業術語解析
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            開關電源專業術語解析

            作者:admin   發布日期:2018-11-06 22:41   信息來源:http://www.myopole.com/

            紋波

            開關電源的輸出并不是真正恒定的,輸出存在著周期性的抖動,這些 抖動看上去就和水紋一樣,稱為紋波。

            ▶紋波可以是電壓或電流紋波。

            ■通常用2個參數來描述紋波:

            ▶最大紋波電壓:紋波的峰峰值。

            ▶紋波系數:交流分量的有效值與直流分量之比。

            紋波產生的原因

            ■開關電源的紋波來自2個地方:

            ▶低頻紋波:來自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,輸出也會變化。

            ▶高頻紋波:來自開關切換的周期,開關電源不是線性連續輸出能量,而是 將能量組成一個個包來傳輸,因此會存在和開關周期相對應的紋波。

            ■如果是線性電源,是沒有開關紋波的,只有低頻紋波。

            紋波的影響

            ■最大紋波會決定輸出的峰值,本來輸出是穩定的某個電壓或電流,由 于紋波的影響,使得輸出的峰值比平均值高,這可能會損壞負載。

            ▶比如,對LED來說,過高的電流會減少LED的壽命。

            ■過大的紋波系數會使得輸出的能量不均衡平滑,從而偏離了直流輸出 這個要求。

            ▶比如,對LED來說,過大的紋波系數會使得LED亮度變化,造成閃爍。

            ■如果開關電源用來驅動電池,LED燈這種負載,低頻紋波的影響更大, 如果是驅動IC這種高速型負載,高頻紋波的影響更大。

            紋波與噪聲

            ■紋波是由于AC周期或開關周期引起的輸出抖動,而噪聲是隨機耦合到 輸出上的高頻信號,是不一樣的。

            調整率

             

            調整率

            ■電源在使用時,有兩個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生變化時,依然能維持恒壓或恒流。

            ■將輸入或負載變化時,輸出偏離額定輸出的程度稱為調整率,比如輸 入在最大最小值之間變化,測量輸出的偏差比率,為一個百分比,比 如5%,就稱為調整率為±5% 。

            ■注意區分調整率和紋波,紋波是輸出的動態特征,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。

            調整率類型

            ■輸入調整率

            ▶其他條件不變,調節輸入時,輸出的偏差,對于AC電源來說,是以AC線的 有效電壓作為變化區間,比如以180~264作為上下限來變化。

            ▶有時還會調節AC的頻率,來看輸出是否有偏差,比如從47~63Hz區間。

            ■負載調整率

            ▶其他條件不變,調節負載時,輸出的偏差。

            ■綜合調整率

            ▶同時調節輸入和負載,找出最差的偏差。

            LED恒流驅動

            ■為什么照明用LED都是電流驅動?

            ▶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,隨著溫度 的升高,二極管正向導通阻抗降低。

            ▶如果用恒壓源驅動LED,隨著LED工作,溫度開始升高,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發熱更厲害,進一步刺激溫度升高,陷于惡性循環,直到LED損壞。

            ▷ 恒壓源驅動時,溫度和電路是一對正反饋。

            ▶所以照明LED都是恒流驅動,如果是非照明,LED幾乎沒有溫升,此時可 以用恒壓驅動。

            恒流精度

            ■恒流精度和其他電影的恒壓效果一樣,體現在幾個方面。

            ▶當負載發生變化時,電源輸出的電流的恒定程度。

            ▷在實際應用時,多個不同的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LED,溫度不同時,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還是一樣,都是負載變化。

            ▷因此在測試恒流精度時,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。

            ▶當電源內部元件參數變化時,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要求,其中一個重 要的指標是儲能元件,比如電感,或變壓器,感值存在誤差時,電源輸出電流的 恒定度。

            ▷考慮到成本因素,儲能元件在加工時偏差是很大的,所以,電源應當設計成對儲 能元件的感值不敏感。

            鋰電池恒流驅動

            ■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,電池在滿能量時約4.2V,低能量時約2.5V。

            ■如果使用恒壓源對電池充電,當電池電量較低時,充電電流會極大, 相當于電壓源接到電容上,會損壞電池。

            ▶損壞的原因是大電流帶來的大發熱。

            ■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,使用恒流輸出。

            沖擊與浪涌

            沖擊電流

            ■如果負載為一個容性負載,將一個電壓源直接加到負載上時,會產生 一個非常大的電流,這個電流就稱為沖擊電流。

            ▶過大的沖擊電流會使得交流線上的保護電路識別為短路,會導致空氣開關 跳閘,熔斷保險絲等問題。

            ■對于AC電源來說,將電源接到AC線上的一瞬間,AC電源本身就是一 個容性負載,假如此時電源的負載處在滿負荷狀態,且AC線正處在峰 值電壓處,會產生最大的沖擊電流。

            浪涌(電壓)

            ■閃電,雷擊等會在電網上制造時間非常短的高電壓脈沖或者高能量脈 沖。

            ▶這種過壓通常是由專門的保護器進行保護,比如浪涌放電器。

            ■大功率設備斷開或接入電網時,會使得電網電壓上升或跌落。為了保 護電源,有時會使用一個壓敏電阻接在輸入端。

            ▶壓敏電阻的組織和其上的電壓有關,當電壓變高時,阻值降低。

            ▶為什么壓敏電阻不能包含雷擊等產生的脈沖,因為這種浪涌有可能是同時出現在L線和N線上的。

            效率和待機功耗

            效率和待機功耗

            ■這兩個概念很簡單,但有一點需要厘清,就是電源在工作時:

            ■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,電源 本身的功耗要大于待機功耗。

            ▶電源本身的功耗主要來自于電感/變壓器的損耗,開關管的損耗,二極管的損耗,這些損耗都和切換頻率有關,而目前的開關電源,在輸出功率很低時,都會將頻率降低以節能,所以電源本身的功耗在帶負載工作時和待機時是完全不同的。

            ▶但是效率是隨著負載消耗增加而升高的,這個很好理解,待機時效率為0, 而帶負載時,電源本身功耗的增加跟不上負載消耗的增加。

            ESR

            電容ESR

            ■開關電源都需要在輸出加一個電容,將切換電路投遞過來的斷續能量 平滑成穩定的線性輸出,這個電容的重要性不言而喻。

            ■一個非理想因素就是所有的電容都有等效串聯電阻(ESR),這個電阻會 導致一系列問題。

            ▶電容穩壓的原理就是當VO電壓上升時,吸入電流,將能量存儲于電容,當 VO電壓下降時,吐出電流,釋放能量。這個過程中,電流始終流過ESR。

            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,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。

            電解電容ESR的危害

            ■為了降低成本,通常輸出電容會使用偏移的電解電容,但是電解電容 的ESR是較高的。

            ▶ESR大。弘娊怆娙 > 鉭電容 > 陶瓷電容。

            ■對于電解電容來說,高紋波電壓倒在其次,要命的是ESR會導致電容 發熱,電流越大,發熱越厲害,發熱越厲害,電解電容的電解液蒸發 得越快,隨著電解液的蒸發,ESR加大,發熱更高,陷入惡性循環。

            ▶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 的發熱,會加快電解電容報廢,所以開關電源隨著時間的推移,紋波電壓 會越來越大。

            解決ESR的問題

            ■解決方法是降低ESR阻值或降低流過ESR的電流,降低流過ESR的電流 比較麻煩,比較簡單的方法是降低ESR阻值。

            ▶可以采用低ESR的電解電容替代普通電容,或者用多個電容并聯來替代單 個電容。

            ▶多個電容并聯的方法缺點是占用大量的空間,在小體積電源中應用受限, 所以有時會用陶瓷和電解電容并聯的方法,甚至用一種多層陶瓷電容替代 多個陶瓷電容。

            動態

            動態響應

            ■通常動態響應特指電源的輸入,負載階躍變化所導致的輸出被擾動后 恢復正常的過程。

            ▶AC電源的輸入為不間斷交流,一般不關心輸入的階躍變化,動態響應通常 僅限于描述負載在一定范圍內變化時的響應。

            ■通常定義空載為0%,滿載為100%,然后用負載在某2個百分比之間的 切換來定義負載變化。

            ▶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 需要熱插拔的應用,最大的變化在0-100。

            動態響應的指標

            ■動態響應一般有2個指標,一個叫過沖幅度,另一個叫穩定時間。

            ▶過沖幅度定義為輸出偏離穩定值的幅度,有上沖和下沖。

            ▶穩定時間是負載開始變化到輸出達到能接受的范圍內的實際。

            動態響應和階躍響應

            ■階躍響應,指的是輸入階躍,輸出跟著階躍,也就是說輸出要盡快的 變到目標值,而動態響應指的是負載階躍,輸出要盡快的穩定下來。 這兩者在形式上不同,但本質是相同的。

            ▶以恒壓輸出為例,當負載突變時,為了維持電壓恒定,需要調整電流,電 流調整的過程,通過負載就會表現出電壓的波動,所以,負載的動態響應, 其本質就是負載-輸出電流這個傳遞函數的階躍響應。

            動態響應的系統框圖

            ■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,整個系統的傳遞函數變為Load-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。

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