考验开关电源性能的“几个”概念 工程师必懂

开关电源性能的“几个”概念详解

本文主要讲开关(guan)电源性能(neng)的(de)“几(ji)个”概(gai)念(nian)，下面一(yi)起来看(kan)看(kan)，希望对大家有帮助(zhu)。开关(guan)电源不(bu)同于线(xian)性电源，开关(guan)电源利用的(de)切(qie)(qie)换(huan)晶体管多半是在(zai)全开模(mo)式(shi)（饱和区）及全闭模(mo)式(shi)（截止区）之间(jian)切(qie)(qie)换(huan)，这两个模(mo)式(shi)都有低耗散(san)的(de)特点，切(qie)(qie)换(huan)之间(jian)的(de)转换(huan)会有较高的(de)耗散(san)，但时(shi)(shi)间(jian)很短，因(yin)此比较节省能(neng)源，产生废热较少。理想(xiang)上，开关(guan)电源本身是不(bu)会消(xiao)耗电能(neng)的(de)。电压稳压是透(tou)过调(diao)整晶体管导通(tong)及断路的(de)时(shi)(shi)间(jian)来达到。

一：纹波与噪声

1、纹波(bo)

开关电(dian)源的(de)输(shu)出并不是真正(zheng)恒定(ding)的(de)，输(shu)出存在着周期性的(de)抖动(dong)(dong)，这(zhei)些抖动(dong)(dong)看上去就和水纹一样，称(cheng)为纹波。纹波可以(yi)是电(dian)压(ya)或电(dian)流纹波。

通常用2个参数(shu)来描述纹波：

1）最大纹波电压：纹波的峰(feng)峰(feng)值(zhi)。

2）纹(wen)波系(xi)数：交(jiao)流(liu)分量的有效(xiao)值与直(zhi)流(liu)分量之比。

2、纹(wen)波(bo)产生的(de)原因

开关电源的(de)纹(wen)波来自2个(ge)地方：

1）低频纹波(bo)：来(lai)自AC输入(ru)的周(zhou)期，电源对输入(ru)的抑制(zhi)比不是完(wan)美的，当输入(ru)变(bian)化，输出也会变(bian)化。

2）高频(pin)纹波(bo)(bo)：来自(zi)开(kai)关切换的周期，开(kai)关电(dian)源不是线性连续(xu)输(shu)出能量(liang)，而(er)是将能量(liang)组成一(yi)个个包(bao)来传输(shu)，因此会存在和开(kai)关周期相对应的纹波(bo)(bo)。

如(ru)果是线(xian)性电源，是没有(you)开关纹波的，只有(you)低频纹波。

3、纹波的影响

最(zui)大纹(wen)波会决定输出的(de)峰值，本来输出是(shi)稳(wen)定的(de)某个(ge)电(dian)压或电(dian)流，由于纹(wen)波的(de)影响(xiang)，使得输出的(de)峰值比平均值高，这可能(neng)会损(sun)坏(huai)负载(zai)。

比如，对LED来说，过高(gao)的电(dian)流会(hui)减少(shao)LED的寿命。

过大的(de)纹波系数会使得输出(chu)的(de)能量不(bu)均衡平(ping)滑，从而(er)偏离了直流输出(chu)这个(ge)要求(qiu)。

比如，对LED来说，过大的纹波(bo)系数会使得(de)LED亮度变化，造成闪烁。

如果开(kai)关(guan)电源(yuan)用来驱动电池，LED灯这(zhei)种负载(zai)(zai)，低(di)频纹(wen)波的(de)影响更大，如果是驱动IC这(zhei)种高(gao)速型负载(zai)(zai)，高(gao)频纹(wen)波的(de)影响更大。

4、纹(wen)波与(yu)噪声

纹波(bo)是由于(yu)AC周(zhou)期或开关周(zhou)期引起的(de)输(shu)出抖动，而(er)噪声(sheng)是随机耦合到输(shu)出上的(de)高频信号，是不一样(yang)的(de)。

二、调整率

1、调整率

电(dian)源在使用(yong)时，有(you)两个明(ming)显(xian)变化的外部条件：输(shu)入(ru)和负载。好的电(dian)源应该在输(shu)入(ru)和负载发生变化时，依然能维持恒(heng)压或恒(heng)流(liu)。

将输(shu)入或(huo)负载变(bian)(bian)化(hua)时，输(shu)出(chu)偏(pian)离额定输(shu)出(chu)的程度(du)称(cheng)为(wei)调整率(lv)(lv)，比(bi)(bi)如(ru)输(shu)入在最大最小值之间变(bian)(bian)化(hua)，测量输(shu)出(chu)的偏(pian)差比(bi)(bi)率(lv)(lv)，为(wei)一(yi)个百分比(bi)(bi)，比(bi)(bi)如(ru)5%，就称(cheng)为(wei)调整率(lv)(lv)为(wei)±5%。

注意区分调整(zheng)率(lv)和纹波，纹波是(shi)输出(chu)的(de)动态特征，而调整(zheng)率(lv)是(shi)让电源(yuan)工作(zuo)在极(ji)限外(wai)部条件下，输出(chu)的(de)极(ji)限偏差。

2、调整率类型

1）输入调整率

其他(ta)条件不变，调节输(shu)入时，输(shu)出(chu)的偏差，对于AC电源来说，是以(yi)(yi)AC线的有效电压作为变化区(qu)间，比(bi)如(ru)以(yi)(yi)180~264作为上下限来变化。

有时还(hai)会调节AC的频率，来看输出(chu)是(shi)否有偏差，比(bi)如从47~63Hz区间(jian)。

2）负载调整率

其他条件不变(bian)，调节负载(zai)时(shi)，输出的偏差。

3）综合调整率(lv)

同时调(diao)节输入和负载(zai)，找出最(zui)差(cha)的(de)偏差(cha)。

三、恒流

1、LED恒流驱(qu)动(dong)

为什么照明用LED都是(shi)电流(liu)驱动？

LED是二极(ji)(ji)管(guan)，而(er)二极(ji)(ji)管(guan)的(de)PN结的(de)正向导(dao)通阻(zu)抗(kang)是负(fu)温度系数，随着温度的(de)升(sheng)高，二极(ji)(ji)管(guan)正向导(dao)通阻(zu)抗(kang)降低。

如果(guo)用恒压源驱动LED，随着LED工作，温(wen)度(du)开始升高，温(wen)度(du)升高后(hou)，正向(xiang)导通(tong)阻抗降低，由于(yu)I=U/R，电流(liu)升高，且由于(yu)功率P=U*I，功率也增(zeng)加，LED发热更厉害，进一(yi)步(bu)刺(ci)激(ji)温(wen)度(du)升高，陷(xian)于(yu)恶性循(xun)环，直到(dao)LED损坏。

恒压(ya)源驱动时(shi)，温度和电(dian)路是一(yi)对(dui)正反馈(kui)。

所以(yi)照明LED都是恒流驱动，如果是非照明，LED几乎没有(you)温升，此时可(ke)以(yi)用恒压(ya)驱动。

2、恒流精度

恒流精度和(he)其他的恒压效果一(yi)样，体现在几个(ge)方面。

1）当负载发生变(bian)化时，电源输(shu)出(chu)的电流的恒定(ding)程度。

在(zai)实际应用时，多个不同(tong)的LED串不可能阻抗(kang)特性完全相(xiang)同(tong)，将这些不同(tong)的负载接到电源上后，电流(liu)的误差就定义为恒流(liu)精度。

不光是(shi)(shi)多负载(zai)，同一个LED，温(wen)度不同时，阻抗特性(xing)也不同，不同温(wen)度下(xia)电流也是(shi)(shi)有误差的，但这和(he)前(qian)面的条件本(ben)质还(hai)是(shi)(shi)一样，都是(shi)(shi)负载(zai)变化。

因(yin)此在(zai)测试恒流精度(du)时，需要使用电子负载，让负载在(zai)合理的(de)范围内(nei)变化，测量电压的(de)电流误差(cha)。

2）当电(dian)源内部元件参数变化时(shi)，电(dian)源输(shu)出(chu)的电(dian)流的恒(heng)定程度(du)。

这并(bing)不(bu)是标准(zhun)的恒流(liu)精度的定(ding)(ding)义，但目前很多电(dian)源(yuan)都是有这个要(yao)求(qiu)，其中一(yi)个重要(yao)的指标是储能元件，比(bi)如电(dian)感(gan)，或变(bian)压器(qi)，感(gan)值存在(zai)误(wu)差(cha)时，电(dian)源(yuan)输出电(dian)流(liu)的恒定(ding)(ding)度。

3、锂电(dian)池恒流驱(qu)动

便携式设备(bei)所(suo)用(yong)的(de)锂电(dian)(dian)池(chi)，在(zai)不(bu)(bu)同电(dian)(dian)量的(de)情况下，电(dian)(dian)压是不(bu)(bu)同的(de)，以手(shou)机所(suo)用(yong)的(de)锂电(dian)(dian)池(chi)为例，电(dian)(dian)池(chi)在(zai)满(man)能量时约4.2V，低能量时约2.5V。

如果使用恒压(ya)源对电池充(chong)电，当(dang)电池电量较低(di)时(shi)，充(chong)电电流(liu)会极大，相当(dang)于电压(ya)源接到电容(rong)上(shang)，会损坏电池。

损坏的原因是大电流带来的大发(fa)热(re)。

为(wei)了限制大电(dian)流，目前(qian)的充电(dian)器都是(shi)使用(yong)恒(heng)流-恒(heng)压充电(dian)，当电(dian)池电(dian)压低(di)时，使用(yong)恒(heng)流输出。

四、冲击与浪涌

1、冲(chong)击电流

如果负(fu)载(zai)为(wei)一个容性(xing)负(fu)载(zai)，将一个电压源直接加到负(fu)载(zai)上时，会产生一个非常(chang)大的电流，这(zhei)个电流就(jiu)称为(wei)冲(chong)击电流。

过大的冲(chong)击电流(liu)(liu)会(hui)使得交(jiao)流(liu)(liu)线上的保护电路识别为短路，会(hui)导致空气开关(guan)跳闸(zha)，熔断保险丝等问题。

对于(yu)AC电(dian)(dian)(dian)源来说，将电(dian)(dian)(dian)源接到AC线(xian)上(shang)的一瞬(shun)间，AC电(dian)(dian)(dian)源本身就是一个容(rong)性负载，假如此时电(dian)(dian)(dian)源的负载处在满负荷状态，且AC线(xian)正处在峰值(zhi)电(dian)(dian)(dian)压(ya)处，会产生(sheng)最大的冲击电(dian)(dian)(dian)流。

2、浪(lang)涌（电压）

闪电，雷击等会在电网上制造(zao)时间(jian)非(fei)常短的高(gao)电压脉冲或者高(gao)能(neng)量脉冲。

这种(zhong)过压通常是由专门的保护器进行保护，比如浪(lang)涌放电器。

大(da)功率设备断开或(huo)接(jie)入电(dian)网时，会使得电(dian)网电(dian)压(ya)上升或(huo)跌落(luo)。为了保护电(dian)源，有时会使用一个压(ya)敏电(dian)阻接(jie)在输入端(duan)。

压(ya)敏(min)电阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)和其上的(de)电压(ya)有(you)关，当(dang)电压(ya)变大时，阻(zu)值(zhi)降低。

为(wei)什么压敏电阻不能(neng)包含雷(lei)击等产生的(de)脉冲(chong)，因为(wei)这(zhei)种浪涌(yong)有可能(neng)是同时(shi)出现(xian)在(zai)L线和N线上的(de)。

五、效率与待机功耗

1、效率(lv)和待机功耗(hao)

这两个(ge)概念很简(jian)单，但有一(yi)点需要理清，就是(shi)电(dian)源在(zai)工作时：

虽(sui)然待(dai)(dai)机功(gong)耗就是电源(yuan)本身的(de)(de)全部损耗，但是在电源(yuan)带负载时，电源(yuan)本身的(de)(de)功(gong)耗要大于待(dai)(dai)机功(gong)耗。

电(dian)源本(ben)身(shen)的(de)功(gong)耗(hao)主要来自于电(dian)感(gan)/变压器的(de)损(sun)耗(hao)，开(kai)(kai)关(guan)(guan)管(guan)的(de)损(sun)耗(hao)，二极管(guan)的(de)损(sun)耗(hao)，这些损(sun)耗(hao)都和(he)切换频(pin)率有关(guan)(guan)，而目前的(de)开(kai)(kai)关(guan)(guan)电(dian)源，在(zai)输出功(gong)率很低时(shi)，都会将频(pin)率降(jiang)低以(yi)节能，所(suo)以(yi)电(dian)源本(ben)身(shen)的(de)功(gong)耗(hao)在(zai)带负载工作时(shi)和(he)待机时(shi)是(shi)完全不(bu)同(tong)的(de)。

但是(shi)效率是(shi)随着负(fu)载(zai)消耗(hao)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)而升高的(de)，这(zhei)个很好理解，待机(ji)时效率为0，而带负(fu)载(zai)时，电源本身功耗(hao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)跟不上负(fu)载(zai)消耗(hao)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)。

六、ESR

1、电容ESR

开关电(dian)(dian)源(yuan)都(dou)需要在输出加一个电(dian)(dian)容，将切换电(dian)(dian)路投递过来的断续能量平滑成稳定的线性输出，这(zhei)个电(dian)(dian)容的重要性不(bu)言而喻(yu)。

一个(ge)非理想因素就是所有的电(dian)容(rong)都有等效串联电(dian)阻(zu)(ESR)，这个(ge)电(dian)阻(zu)会导致一系列问(wen)题。

电容(rong)稳压(ya)的原理就是当VO电压(ya)上升时(shi)，吸入电流(liu)，将能量(liang)(liang)存储(chu)于电容(rong)，当VO电压(ya)下降时(shi)，吐(tu)出电流(liu)，释放能量(liang)(liang)。这个过(guo)程中，电流(liu)始终流(liu)过(guo)ESR。

2、ESR导(dao)致(zhi)的纹波

ESR是输(shu)出(chu)高频(pin)电压纹波的(de)罪魁(kui)祸首，当电容储能和释能时，电流方(fang)向相反，因此输(shu)出(chu)在(zai)VO=VC+VESR，和VO=VC+VESR之间(jian)切换，ESR越大，纹波电压越大。

3、电解电容ESR的危害

为了降低(di)成(cheng)本(ben)，通(tong)常输出电(dian)容(rong)会使用偏移(yi)的(de)电(dian)解(jie)电(dian)容(rong)，但(dan)是电(dian)解(jie)电(dian)容(rong)的(de)ESR是较高的(de)。

ESR大小：电(dian)解电(dian)容(rong)>钽电(dian)容(rong)>陶瓷电(dian)容(rong)。

对于电(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)电(dian)(dian)(dian)容(rong)来说，高(gao)纹波电(dian)(dian)(dian)压倒(dao)在其(qi)次，要命的是ESR会导(dao)致(zhi)电(dian)(dian)(dian)容(rong)发(fa)(fa)(fa)(fa)热(re)，电(dian)(dian)(dian)流(liu)越(yue)大(da)，发(fa)(fa)(fa)(fa)热(re)越(yue)厉(li)害(hai)，发(fa)(fa)(fa)(fa)热(re)越(yue)厉(li)害(hai)，电(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)电(dian)(dian)(dian)容(rong)的电(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液蒸(zheng)发(fa)(fa)(fa)(fa)得(de)越(yue)快，随着电(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)液的蒸(zheng)发(fa)(fa)(fa)(fa)，ESR加大(da)，发(fa)(fa)(fa)(fa)热(re)更(geng)高(gao)，陷入(ru)恶性循环。

电(dian)(dian)解电(dian)(dian)容本身就寿(shou)命(ming)不高(gao)，是(shi)电(dian)(dian)源系统(tong)中寿(shou)命(ming)最短(duan)的(de)(de)器件，由于(yu)ESR导致(zhi)的(de)(de)发热，会(hui)加快(kuai)电(dian)(dian)解电(dian)(dian)容报废(fei)，所(suo)以开关电(dian)(dian)源随着时间(jian)的(de)(de)推移(yi)，纹波(bo)电(dian)(dian)压(ya)会(hui)越(yue)(yue)来越(yue)(yue)大(da)。

4、解决ESR的问(wen)题

解决方法(fa)是降(jiang)低(di)ESR阻值或(huo)降(jiang)低(di)流(liu)过(guo)ESR的(de)电流(liu)，降(jiang)低(di)流(liu)过(guo)ESR的(de)电流(liu)比较麻烦(fan)，比较简(jian)单的(de)方法(fa)是降(jiang)低(di)ESR阻值。

可以(yi)采用低ESR的(de)电(dian)(dian)解(jie)电(dian)(dian)容替代普通(tong)电(dian)(dian)容，或(huo)者用多个(ge)电(dian)(dian)容并(bing)联(lian)来(lai)替代单个(ge)电(dian)(dian)容。

多(duo)(duo)个电(dian)(dian)(dian)容(rong)并(bing)联的方(fang)法缺点(dian)是(shi)占用(yong)(yong)大(da)量的空间，在小(xiao)体积电(dian)(dian)(dian)源中应用(yong)(yong)受限，所(suo)以有(you)时会用(yong)(yong)陶瓷和电(dian)(dian)(dian)解电(dian)(dian)(dian)容(rong)并(bing)联的方(fang)法，甚(shen)至用(yong)(yong)一种多(duo)(duo)层陶瓷电(dian)(dian)(dian)容(rong)替代多(duo)(duo)个陶瓷电(dian)(dian)(dian)容(rong)。

七、动态

1、动态响应

通常动态响应(ying)特指电源(yuan)的(de)(de)输(shu)入，负载阶跃(yue)变化所导致的(de)(de)输(shu)出被扰动后恢复(fu)正(zheng)常的(de)(de)过程。

AC电源的(de)输入为不间断交(jiao)流，一般不关(guan)心输入的(de)阶跃(yue)变(bian)化(hua)，动态响应(ying)通(tong)常(chang)仅限于描(miao)述负载在一定范围内变(bian)化(hua)时的(de)响应(ying)。

通常定义空载(zai)为(wei)0%，满载(zai)为(wei)100%，然后用负载(zai)在某2个(ge)百分比之间的切换来定义负载(zai)变(bian)化。

常用(yong)的负载变化(hua)有0-100、10-90、20-80、25-75，取(qu)决于应(ying)用(yong)，对于充电器(qi)这类需(xu)要热插(cha)拔(ba)的应(ying)用(yong)，最(zui)大的变化(hua)在0-100。

2、动态(tai)响应的指标

动(dong)态响应一(yi)般有2个(ge)指标，一(yi)个(ge)叫(jiao)过冲幅度(du)，另一(yi)个(ge)叫(jiao)稳定(ding)时间(jian)(jian)(jian)。过冲幅度(du)定(ding)义(yi)为(wei)输(shu)出偏离稳定(ding)值的(de)幅度(du)，有上冲和下冲。稳定(ding)时间(jian)(jian)(jian)是负(fu)载(zai)开始(shi)变化到输(shu)出达(da)到能接受(shou)的(de)范围内的(de)时间(jian)(jian)(jian)。

3、动态响应(ying)和阶跃响应(ying)

阶(jie)(jie)(jie)跃(yue)响应(ying)，指(zhi)(zhi)的(de)(de)是(shi)(shi)输入阶(jie)(jie)(jie)跃(yue)，输出(chu)跟(gen)着阶(jie)(jie)(jie)跃(yue)，也就是(shi)(shi)说输出(chu)要尽快的(de)(de)变(bian)到(dao)目标(biao)值，而动态响应(ying)指(zhi)(zhi)的(de)(de)是(shi)(shi)负载阶(jie)(jie)(jie)跃(yue)，输出(chu)要尽快的(de)(de)稳定下(xia)来。这两者在形式上(shang)不同(tong)，但本质是(shi)(shi)相同(tong)的(de)(de)。

以恒(heng)压输(shu)(shu)出(chu)为(wei)(wei)例，当负(fu)载(zai)突变时，为(wei)(wei)了维持电压恒(heng)定，需要调整电流(liu)，电流(liu)调整的(de)过程，通过负(fu)载(zai)就会表现(xian)出(chu)电压的(de)波动(dong)，所(suo)以，负(fu)载(zai)的(de)动(dong)态响应，其本质(zhi)就是负(fu)载(zai)-输(shu)(shu)出(chu)电流(liu)这个(ge)传递函数的(de)阶跃响应。

4、动态(tai)响(xiang)应的系统框图

将Load视(shi)为输入，IOUT和VOUT视(shi)为输出。

将Load视为(wei)输(shu)入后(hou)，REF就是固(gu)定值，整(zheng)个系统(tong)的(de)传递函数(shu)(shu)变(bian)为(wei)Load-IOUT的(de)传递函数(shu)(shu)。

对(dui)于负(fu)载非阻(zu)性的(de)应用，比(bi)如电(dian)池等，也将其(qi)模拟为电(dian)阻(zu)。

将一般性(xing)电源(yuan)系(xi)统适用于动态响(xiang)应的系(xi)统框图重画如(ru)下(xia)：

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