分析解釋開關電源中的專業(yè)術語

紋波與噪聲

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(shù)來描述紋波：

?最大紋波電壓：紋波的峰峰值。

?紋波系數(shù)：交流分量的有效值與直流分量之比。

紋波產(chǎn)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(xù)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(wěn)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(shù)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(shù)會使得LED亮度變化，造成閃爍。

■如果開關電源用來驅(qū)動電池，LED燈這種負載，低頻紋波的影響更大， 如果是驅(qū)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(diào)整率

調(diào)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(fā)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(diào)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(diào)整率為±5% 。

■注意區(qū)分調(diào)整率和紋波，紋波是輸出的動態(tài)特征，而調(diào)整率是讓電源 工作在極限外部條件下，輸出的極限偏差。

調(diào)整率類型

■輸入調(diào)整率

?其他條件不變，調(diào)節(jié)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(qū)間，比如以180~264作為上下限來變化。

?有時還會調(diào)節(jié)AC的頻率，來看輸出是否有偏差，比如從47~63Hz區(qū)間。

■負載調(diào)整率

?其他條件不變，調(diào)節(jié)負載時，輸出的偏差。

■綜合調(diào)整率

?同時調(diào)節(jié)輸入和負載，找出最差的偏差。

LED恒流驅(qū)動

■為什么照明用LED都是電流驅(qū)動？

?LED是二極管，而二極管的PN結(jié)的正向?qū)ㄗ杩故秦摐囟认禂?shù)，隨著溫度 的升高，二極管正向?qū)ㄗ杩菇档汀?/p>

?如果用恒壓源驅(qū)動LED，隨著LED工作，溫度開始升高，溫度升高后，正 向?qū)ㄗ杩菇档?，由于I=U/R，電流升高，且由于功率P=U*I，功率也增加， LED發(fā)熱更厲害，進一步刺激溫度升高，陷于惡性循環(huán)，直到LED損壞。

?恒壓源驅(qū)動時，溫度和電路是一對正反饋。

?所以照明LED都是恒流驅(qū)動，如果是非照明，LED幾乎沒有溫升，此時可 以用恒壓驅(qū)動。

恒流精度

■恒流精度和其他電影的恒壓效果一樣，體現(xiàn)在幾個方面。

?當負載發(fā)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(zhì)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(nèi)變化，測量 電壓的電流誤差。

?當電源內(nèi)部元件參數(shù)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(qū)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(fā)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(chǎn)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(tài)，且AC線正處在峰 值電壓處，會產(chǎn)生最大的沖擊電流。

浪涌（電壓）

■閃電，雷擊等會在電網(wǎng)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(wǎng)時，會使得電網(wǎng)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(chǎn)生的脈沖，因為這種浪涌有可能是同時 出現(xiàn)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(jié)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(xù)能量 平滑成穩(wěn)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(lián)電阻(ESR)，這個電阻會 導致一系列問題。

?電容穩(wěn)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(fā)熱，電流越大，發(fā)熱越厲害，發(fā)熱越厲害，電解電容的電解液蒸發(fā) 得越快，隨著電解液的蒸發(fā)，ESR加大，發(fā)熱更高，陷入惡性循環(huán)。

?電解電容本身就壽命不高，是電源系統(tǒng)中壽命最短的器件，由于ESR導致 的發(fā)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(lián)來替代單 個電容。

?多個電容并聯(lián)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(lián)的方法，甚至用一種多層陶瓷電容替代 多個陶瓷電容。

動態(tài)

動態(tài)響應

■通常動態(tài)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(tài)響應通常 僅限于描述負載在一定范圍內(nèi)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(tài)響應的指標

■動態(tài)響應一般有2個指標，一個叫過沖幅度，另一個叫穩(wěn)定時間。

?過沖幅度定義為輸出偏離穩(wěn)定值的幅度，有上沖和下沖。

?穩(wěn)定時間是負載開始變化到輸出達到能接受的范圍內(nèi)的實際。

動態(tài)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(tài)響應指的是負載階躍，輸出要盡快的穩(wěn)定下來。 這兩者在形式上不同，但本質(zhì)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(diào)整電流，電 流調(diào)整的過程，通過負載就會表現(xiàn)出電壓的波動，所以，負載的動態(tài)響應， 其本質(zhì)就是負載-輸出電流這個傳遞函數(shù)的階躍響應。

動態(tài)響應的系統(tǒng)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(tǒng)的傳遞函數(shù)變?yōu)長oad-IOUT 的傳遞函數(shù)。

?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(tǒng)適用于動態(tài)響應的系統(tǒng)框圖重畫如下：