考驗開關電源性能的“幾個”概念 工程師必懂-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-12-04
本文主要講開關電源性能的“幾個”概念，下面一起來看看，希望對大家有幫助。開關電源不同于線性電源，開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節省能源，產生廢熱較少。理想上，開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。
1、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：
1）最大紋波電壓：紋波的峰峰值。
2）紋波系數：交流分量的有效值與直流分量之比。
2、紋波產生的原因
開關電源的紋波來自2個地方：
1）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。
2）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。
3、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。
4、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。
1、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。
2、調整率類型
1）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。
2）負載調整率
其他條件不變，調節負載時，輸出的偏差。
3）綜合調整率
同時調節輸入和負載，找出最差的偏差。
1、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。
2、恒流精度
恒流精度和其他的恒壓效果一樣，體現在幾個方面。
1）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。
2）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。
3、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。
1、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。
2、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。
壓敏電阻的阻值和其上的電壓有關，當電壓變大時，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。
1、效率和待機功耗
這兩個概念很簡單，但有一點需要理清，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。
1、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。
2、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。
3、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大小：電解電容>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。
4、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。
1、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。
2、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時間。
3、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。
4、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。
將一般性電源系統適用于動態響應的系統框圖重畫如下：
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