開關(guān)電源概念：紋波、噪聲、電解電容、恒流

今天分享開關(guān)電源的一些概念。

01?

紋波與噪聲

1、紋波

開關(guān)電源的輸出并不是真正恒定的，輸出存在著周期性的抖動(dòng)，這些抖動(dòng)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(gè)參數(shù)來描述紋波： 1）最大紋波電壓：紋波的峰峰值。 2）紋波系數(shù)：交流分量的有效值與直流分量之比。

2、紋波產(chǎn)生的原因

開關(guān)電源的紋波來自2個(gè)地方： 1）低頻紋波：來自AC輸入的周期，電源對(duì)輸入的抑制比不是完美的，當(dāng)輸入變化，輸出也會(huì)變化。 2）高頻紋波：來自開關(guān)切換的周期，開關(guān)電源不是線性連續(xù)輸出能量，而是將能量組成一個(gè)個(gè)包來傳輸，因此會(huì)存在和開關(guān)周期相對(duì)應(yīng)的紋波。 如果是線性電源，是沒有開關(guān)紋波的，只有低頻紋波。

3、紋波的影響

最大紋波會(huì)決定輸出的峰值，本來輸出是穩(wěn)定的某個(gè)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(huì)損壞負(fù)載。 比如，對(duì)LED來說，過高的電流會(huì)減少LED的壽命。 過大的紋波系數(shù)會(huì)使得輸出的能量不均衡平滑，從而偏離了直流輸出這個(gè)要求。 比如，對(duì)LED來說，過大的紋波系數(shù)會(huì)使得LED亮度變化，造成閃爍。 如果開關(guān)電源用來驅(qū)動(dòng)電池，LED燈這種負(fù)載，低頻紋波的影響更大，如果是驅(qū)動(dòng)IC這種高速型負(fù)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(guān)周期引起的輸出抖動(dòng)，而噪聲是隨機(jī)耦合到輸出上的高頻信號(hào)，是不一樣的。

02?調(diào)整率 ? 1、調(diào)整率

電源在使用時(shí)，有兩個(gè)明顯變化的外部條件：輸入和負(fù)載。好的電源應(yīng)該在輸入和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，依然能維持恒壓或恒流。 將輸入或負(fù)載變化時(shí)，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(cè)量輸出的偏差比率，為一個(gè)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(dòng)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。

2、調(diào)整率類型
1）輸入調(diào)整率 其他條件不變，調(diào)節(jié)輸入時(shí)，輸出的偏差，對(duì)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(shí)還會(huì)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。 2）負(fù)載調(diào)整率 其他條件不變，調(diào)節(jié)負(fù)載時(shí)，輸出的偏差。 3）綜合調(diào)整率 同時(shí)調(diào)節(jié)輸入和負(fù)載，找出最差的偏差。 ? ?

03?恒流 ? 1、LED恒流驅(qū)動(dòng)

為什么照明用LED都是電流驅(qū)動(dòng)？ LED是二極管，而二極管的PN結(jié)的正向?qū)ㄗ杩故秦?fù)溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，二極管正向?qū)ㄗ杩菇档汀?如果用恒壓源驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(dòng)時(shí)，溫度和電路是一對(duì)正反饋。 所以照明LED都是恒流驅(qū)動(dòng)，如果是非照明，LED幾乎沒有溫升，此時(shí)可以用恒壓驅(qū)動(dòng)。 ?

2、恒流精度

恒流精度和其他的恒壓效果一樣，體現(xiàn)在幾個(gè)方面。 1）當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電源輸出的電流的恒定程度。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多個(gè)不同的LED串不可能阻抗特性完全相同，將這些不同的負(fù)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(fù)載，同一個(gè)LED，溫度不同時(shí)，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(fù)載變化。 因此在測(cè)試恒流精度時(shí)，需要使用電子負(fù)載，讓負(fù)載在合理的范圍內(nèi)變化，測(cè)量電壓的電流誤差。 ? 2）當(dāng)電源內(nèi)部元件參數(shù)變化時(shí)，電源輸出的電流的恒定程度。 這并不是標(biāo)準(zhǔn)的恒流精度的定義，但目前很多電源都是有這個(gè)要求，其中一個(gè)重要的指標(biāo)是儲(chǔ)能元件，比如電感，或變壓器，感值存在誤差時(shí)，電源輸出電流的恒定度。 考慮到成本因素，儲(chǔ)能元件在加工時(shí)偏差是很大的，所以，電源應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成對(duì)儲(chǔ)能元件的感值不敏感。 ? 3、鋰電池恒流驅(qū)動(dòng) 便攜式設(shè)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(jī)所用的鋰電池為例，電池在滿能量時(shí)約4.2V，低能量時(shí)約2.5V。 如果使用恒壓源對(duì)電池充電，當(dāng)電池電量較低時(shí)，充電電流會(huì)極大，相當(dāng)于電壓源接到電容上，會(huì)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(dāng)電池電壓低時(shí)，使用恒流輸出。 ?

04?沖擊與浪涌 ? 1、沖擊電流

如果負(fù)載為一個(gè)容性負(fù)載，將一個(gè)電壓源直接加到負(fù)載上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的電流，這個(gè)電流就稱為沖擊電流。 過大的沖擊電流會(huì)使得交流線上的保護(hù)電路識(shí)別為短路，會(huì)導(dǎo)致空氣開關(guān)跳閘，熔斷保險(xiǎn)絲等問題。 對(duì)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(gè)容性負(fù)載，假如此時(shí)電源的負(fù)載處在滿負(fù)荷狀態(tài)，且AC線正處在峰值電壓處，會(huì)產(chǎn)生最大的沖擊電流。

2、浪涌（電壓）

閃電，雷擊等會(huì)在電網(wǎng)上制造時(shí)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(hù)器進(jìn)行保護(hù)，比如浪涌放電器。 大功率設(shè)備斷開或接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)使得電網(wǎng)電壓上升或跌落。為了保護(hù)電源，有時(shí)會(huì)使用一個(gè)壓敏電阻接在輸入端。 壓敏電阻的阻值和其上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓變大時(shí)，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?yàn)檫@種浪涌有可能是同時(shí)出現(xiàn)在L線和N線上的。

05?效率與待機(jī)功耗 ? 1、效率和待機(jī)功耗

這兩個(gè)概念很簡單，但有一點(diǎn)需要理清，就是電源在工作時(shí)：

雖然待機(jī)功耗就是電源本身的全部損耗，但是在電源帶負(fù)載時(shí)，電源本身的功耗要大于待機(jī)功耗。 電源本身的功耗主要來自于電感/變壓器的損耗，開關(guān)管的損耗，二極管的損耗，這些損耗都和切換頻率有關(guān)，而目前的開關(guān)電源，在輸出功率很低時(shí)，都會(huì)將頻率降低以節(jié)能，所以電源本身的功耗在帶負(fù)載工作時(shí)和待機(jī)時(shí)是完全不同的。 但是效率是隨著負(fù)載消耗增加而升高的，這個(gè)很好理解，待機(jī)時(shí)效率為0，而帶負(fù)載時(shí)，電源本身功耗的增加跟不上負(fù)載消耗的增加。 ?

06?ESR ? 1、電容ESR

開關(guān)電源都需要在輸出加一個(gè)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(gè)電容的重要性不言而喻。 一個(gè)非理想因素就是所有的電容都有等效串聯(lián)電阻(ESR)，這個(gè)電阻會(huì)導(dǎo)致一系列問題。 電容穩(wěn)壓的原理就是當(dāng)VO電壓上升時(shí)，吸入電流，將能量存儲(chǔ)于電容，當(dāng)VO電壓下降時(shí)，吐出電流，釋放能量。這個(gè)過程中，電流始終流過ESR。 ?

2、ESR導(dǎo)致的紋波

ESR是輸出高頻電壓紋波的罪魁禍?zhǔn)?，?dāng)電容儲(chǔ)能和釋能時(shí)，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(huì)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(duì)于電解電容來說，高紋波電壓倒在其次，要命的是ESR會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致的發(fā)熱，會(huì)加快電解電容報(bào)廢，所以開關(guān)電源隨著時(shí)間的推移，紋波電壓會(huì)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(gè)電容并聯(lián)來替代單個(gè)電容。 多個(gè)電容并聯(lián)的方法缺點(diǎn)是占用大量的空間，在小體積電源中應(yīng)用受限，所以有時(shí)會(huì)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(gè)陶瓷電容。

07?動(dòng)態(tài) ? 1、動(dòng)態(tài)響應(yīng)

通常動(dòng)態(tài)響應(yīng)特指電源的輸入，負(fù)載階躍變化所導(dǎo)致的輸出被擾動(dòng)后恢復(fù)正常的過程。 AC電源的輸入為不間斷交流，一般不關(guān)心輸入的階躍變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)通常僅限于描述負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)的響應(yīng)。 通常定義空載為0%，滿載為100%，然后用負(fù)載在某2個(gè)百分比之間的切換來定義負(fù)載變化。 常用的負(fù)載變化有0-100、10-90、20-80、25-75，取決于應(yīng)用，對(duì)于充電器這類需要熱插拔的應(yīng)用，最大的變化在0-100。 ?

2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)

動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般有2個(gè)指標(biāo)，一個(gè)叫過沖幅度，另一個(gè)叫穩(wěn)定時(shí)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(shí)間是負(fù)載開始變化到輸出達(dá)到能接受的范圍內(nèi)的時(shí)間。

3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)，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(biāo)值，而動(dòng)態(tài)響應(yīng)指的是負(fù)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(dāng)負(fù)載突變時(shí)，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(fù)載就會(huì)表現(xiàn)出電壓的波動(dòng)，所以，負(fù)載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其本質(zhì)就是負(fù)載-輸出電流這個(gè)傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)。

4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)變?yōu)長oad-IOUT的傳遞函數(shù)。 對(duì)于負(fù)載非阻性的應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的系統(tǒng)框圖重畫如下：

編輯：黃飛

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