这些基础都不知道?就别玩开关电源

硬件笔记本 2024-08-29 07:38

点击上方名片关注了解更多


今天分享开关电源的一些基础。

01 



纹波与噪声

1、纹波
开关电源的输出并不是真正恒定的,输出存在着周期性的抖动,这些抖动看上去就和水纹一样,称为纹波。纹波可以是电压或电流纹波。
通常用2个参数来描述纹波:
1)最大纹波电压:纹波的峰峰值。
2)纹波系数:交流分量的有效值与直流分量之比。


2、纹波产生的原因
开关电源的纹波来自2个地方:
1)低频纹波:来自AC输入的周期,电源对输入的抑制比不是完美的,当输入变化,输出也会变化。
2)高频纹波:来自开关切换的周期,开关电源不是线性连续输出能量,而是将能量组成一个个包来传输,因此会存在和开关周期相对应的纹波。
如果是线性电源,是没有开关纹波的,只有低频纹波。

3、纹波的影响
最大纹波会决定输出的峰值,本来输出是稳定的某个电压或电流,由于纹波的影响,使得输出的峰值比平均值高,这可能会损坏负载。
比如,对LED来说,过高的电流会减少LED的寿命。
过大的纹波系数会使得输出的能量不均衡平滑,从而偏离了直流输出这个要求。
比如,对LED来说,过大的纹波系数会使得LED亮度变化,造成闪烁。
如果开关电源用来驱动电池,LED灯这种负载,低频纹波的影响更大,如果是驱动IC这种高速型负载,高频纹波的影响更大。

4、纹波与噪声
纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动,而噪声是随机耦合到输出上的高频信号,是不一样的。


02 



调整率
1、调整率
电源在使用时,有两个明显变化的外部条件:输入和负载。好的电源应该在输入和负载发生变化时,依然能维持恒压或恒流。
将输入或负载变化时,输出偏离额定输出的程度称为调整率,比如输入在最大最小值之间变化,测量输出的偏差比率,为一个百分比,比如5%,就称为调整率为±5%。
注意区分调整率和纹波,纹波是输出的动态特征,而调整率是让电源工作在极限外部条件下,输出的极限偏差。


2、调整率类型
1)输入调整率
其他条件不变,调节输入时,输出的偏差,对于AC电源来说,是以AC线的有效电压作为变化区间,比如以180~264作为上下限来变化。
有时还会调节AC的频率,来看输出是否有偏差,比如从47~63Hz区间。
2)负载调整率
其他条件不变,调节负载时,输出的偏差。
3)综合调整率
同时调节输入和负载,找出最差的偏差。

03 



恒流
1、LED恒流驱动
为什么照明用LED都是电流驱动?
LED是二极管,而二极管的PN结的正向导通阻抗是负温度系数,随着温度的升高,二极管正向导通阻抗降低。
如果用恒压源驱动LED,随着LED工作,温度开始升高,温度升高后,正向导通阻抗降低,由于I=U/R,电流升高,且由于功率P=U*I,功率也增加,LED发热更厉害,进一步刺激温度升高,陷于恶性循环,直到LED损坏。
恒压源驱动时,温度和电路是一对正反馈。
所以照明LED都是恒流驱动,如果是非照明,LED几乎没有温升,此时可以用恒压驱动。

2、恒流精度
恒流精度和其他的恒压效果一样,体现在几个方面。
1)当负载发生变化时,电源输出的电流的恒定程度。
在实际应用时,多个不同的LED串不可能阻抗特性完全相同,将这些不同的负载接到电源上后,电流的误差就定义为恒流精度。
不光是多负载,同一个LED,温度不同时,阻抗特性也不同,不同温度下电流也是有误差的,但这和前面的条件本质还是一样,都是负载变化。
因此在测试恒流精度时,需要使用电子负载,让负载在合理的范围内变化,测量电压的电流误差。
2)当电源内部元件参数变化时,电源输出的电流的恒定程度。
这并不是标准的恒流精度的定义,但目前很多电源都是有这个要求,其中一个重要的指标是储能元件,比如电感,或变压器,感值存在误差时,电源输出电流的恒定度。
考虑到成本因素,储能元件在加工时偏差是很大的,所以,电源应当设计成对储能元件的感值不敏感。

3、锂电池恒流驱动
便携式设备所用的锂电池,在不同电量的情况下,电压是不同的,以手机所用的锂电池为例,电池在满能量时约4.2V,低能量时约2.5V。
如果使用恒压源对电池充电,当电池电量较低时,充电电流会极大,相当于电压源接到电容上,会损坏电池。
损坏的原因是大电流带来的大发热。
为了限制大电流,目前的充电器都是使用恒流-恒压充电,当电池电压低时,使用恒流输出。

04 



冲击与浪涌
1、冲击电流
如果负载为一个容性负载,将一个电压源直接加到负载上时,会产生一个非常大的电流,这个电流就称为冲击电流。
过大的冲击电流会使得交流线上的保护电路识别为短路,会导致空气开关跳闸,熔断保险丝等问题。
对于AC电源来说,将电源接到AC线上的一瞬间,AC电源本身就是一个容性负载,假如此时电源的负载处在满负荷状态,且AC线正处在峰值电压处,会产生最大的冲击电流。

2、浪涌(电压)
闪电,雷击等会在电网上制造时间非常短的高电压脉冲或者高能量脉冲。
这种过压通常是由专门的保护器进行保护,比如浪涌放电器。
大功率设备断开或接入电网时,会使得电网电压上升或跌落。为了保护电源,有时会使用一个压敏电阻接在输入端。
压敏电阻的阻值和其上的电压有关,当电压变大时,阻值降低。
为什么压敏电阻不能包含雷击等产生的脉冲,因为这种浪涌有可能是同时出现在L线和N线上的。


05 



效率与待机功耗
1、效率和待机功耗
这两个概念很简单,但有一点需要理清,就是电源在工作时:

虽然待机功耗就是电源本身的全部损耗,但是在电源带负载时,电源本身的功耗要大于待机功耗。
电源本身的功耗主要来自于电感/变压器的损耗,开关管的损耗,二极管的损耗,这些损耗都和切换频率有关,而目前的开关电源,在输出功率很低时,都会将频率降低以节能,所以电源本身的功耗在带负载工作时和待机时是完全不同的。
但是效率是随着负载消耗增加而升高的,这个很好理解,待机时效率为0,而带负载时,电源本身功耗的增加跟不上负载消耗的增加。

06 



ESR
1、电容ESR
开关电源都需要在输出加一个电容,将切换电路投递过来的断续能量平滑成稳定的线性输出,这个电容的重要性不言而喻。
一个非理想因素就是所有的电容都有等效串联电阻(ESR),这个电阻会导致一系列问题。
电容稳压的原理就是当VO电压上升时,吸入电流,将能量存储于电容,当VO电压下降时,吐出电流,释放能量。这个过程中,电流始终流过ESR。

2、ESR导致的纹波

ESR是输出高频电压纹波的罪魁祸首,当电容储能和释能时,电流方向相反,因此输出在VO=VC+VESR,和VO=VC-VESR之间切换,ESR越大,纹波电压越大。


3、电解电容ESR的危害
为了降低成本,通常输出电容会使用偏移的电解电容,但是电解电容的ESR是较高的。
ESR大小:电解电容>钽电容>陶瓷电容。
对于电解电容来说,高纹波电压倒在其次,要命的是ESR会导致电容发热,电流越大,发热越厉害,发热越厉害,电解电容的电解液蒸发得越快,随着电解液的蒸发,ESR加大,发热更高,陷入恶性循环。
电解电容本身就寿命不高,是电源系统中寿命最短的器件,由于ESR导致的发热,会加快电解电容报废,所以开关电源随着时间的推移,纹波电压会越来越大。

4、解决ESR的问题
解决方法是降低ESR阻值或降低流过ESR的电流,降低流过ESR的电流比较麻烦,比较简单的方法是降低ESR阻值。
可以采用低ESR的电解电容替代普通电容,或者用多个电容并联来替代单个电容。
多个电容并联的方法缺点是占用大量的空间,在小体积电源中应用受限,所以有时会用陶瓷和电解电容并联的方法,甚至用一种多层陶瓷电容替代多个陶瓷电容。


07 



动态
1、动态响应
通常动态响应特指电源的输入,负载阶跃变化所导致的输出被扰动后恢复正常的过程。
AC电源的输入为不间断交流,一般不关心输入的阶跃变化,动态响应通常仅限于描述负载在一定范围内变化时的响应。
通常定义空载为0%,满载为100%,然后用负载在某2个百分比之间的切换来定义负载变化。
常用的负载变化有0-100、10-90、20-80、25-75,取决于应用,对于充电器这类需要热插拔的应用,最大的变化在0-100。
2、动态响应的指标
动态响应一般有2个指标,一个叫过冲幅度,另一个叫稳定时间。
过冲幅度定义为输出偏离稳定值的幅度,有上冲和下冲。
稳定时间是负载开始变化到输出达到能接受的范围内的时间。

3、动态响应和阶跃响应
阶跃响应,指的是输入阶跃,输出跟着阶跃,也就是说输出要尽快的变到目标值,而动态响应指的是负载阶跃,输出要尽快的稳定下来。这两者在形式上不同,但本质是相同的。
以恒压输出为例,当负载突变时,为了维持电压恒定,需要调整电流,电流调整的过程,通过负载就会表现出电压的波动,所以,负载的动态响应,其本质就是负载-输出电流这个传递函数的阶跃响应。

4、动态响应的系统框图
将Load视为输入,IOUT和VOUT视为输出。
将Load视为输入后,REF就是固定值,整个系统的传递函数变为Load-IOUT的传递函数。
对于负载非阻性的应用,比如电池等,也将其模拟为电阻。

将一般性电源系统适用于动态响应的系统框图重画如下:

声明:


声明:文章整理于网络。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。
投稿/招聘/推广/宣传 请加微信:woniu26a

推荐阅读

后台回复“加群,管理员拉你加入同行技术交流群。

硬件笔记本 一点一滴,厚积薄发。
评论
  • 物联网(IoT)的快速发展彻底改变了从智能家居到工业自动化等各个行业。由于物联网系统需要高效、可靠且紧凑的组件来处理众多传感器、执行器和通信设备,国产固态继电器(SSR)已成为满足中国这些需求的关键解决方案。本文探讨了国产SSR如何满足物联网应用的需求,重点介绍了它们的优势、技术能力以及在现实场景中的应用。了解物联网中的固态继电器固态继电器是一种电子开关设备,它使用半导体而不是机械触点来控制负载。与传统的机械继电器不同,固态继电器具有以下优势:快速切换:确保精确快速的响应,这对于实时物联网系统至
    克里雅半导体科技 2025-01-03 16:11 176浏览
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 97浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 87浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 93浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 71浏览
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 76浏览
  • 光耦合器,也称为光隔离器,是一种利用光在两个隔离电路之间传输电信号的组件。在医疗领域,确保患者安全和设备可靠性至关重要。在众多有助于医疗设备安全性和效率的组件中,光耦合器起着至关重要的作用。这些紧凑型设备经常被忽视,但对于隔离高压和防止敏感医疗设备中的电气危害却是必不可少的。本文深入探讨了光耦合器的功能、其在医疗应用中的重要性以及其实际使用示例。什么是光耦合器?它通常由以下部分组成:LED(发光二极管):将电信号转换为光。光电探测器(例如光电晶体管):检测光并将其转换回电信号。这种布置确保输入和
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:27 171浏览
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 72浏览
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 110浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 79浏览
  • 自动化已成为现代制造业的基石,而驱动隔离器作为关键组件,在提升效率、精度和可靠性方面起到了不可或缺的作用。随着工业技术不断革新,驱动隔离器正助力自动化生产设备适应新兴趋势,并推动行业未来的发展。本文将探讨自动化的核心趋势及驱动隔离器在其中的重要角色。自动化领域的新兴趋势智能工厂的崛起智能工厂已成为自动化生产的新标杆。通过结合物联网(IoT)、人工智能(AI)和机器学习(ML),智能工厂实现了实时监控和动态决策。驱动隔离器在其中至关重要,它确保了传感器、执行器和控制单元之间的信号完整性,同时提供高
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:28 166浏览
  • 随着市场需求不断的变化,各行各业对CPU的要求越来越高,特别是近几年流行的 AIOT,为了有更好的用户体验,CPU的算力就要求更高了。今天为大家推荐由米尔基于瑞芯微RK3576处理器推出的MYC-LR3576核心板及开发板。关于RK3576处理器国产CPU,是这些年的骄傲,华为手机全国产化,国人一片呼声,再也不用卡脖子了。RK3576处理器,就是一款由国产是厂商瑞芯微,今年第二季推出的全新通用型的高性能SOC芯片,这款CPU到底有多么的高性能,下面看看它的几个特性:8核心6 TOPS超强算力双千
    米尔电子嵌入式 2025-01-03 17:04 48浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦