開關電源設計要考慮的問題及技術規範

時間:2015-08-09 08:31 來源:ob体育竞彩

在設計開關電源之前，應當仔細研究要設計的電源技術要求。現以一個通信電源模塊的例子來說明設計要考慮的問題。該模塊的技術規範如下：
1 電氣性能
除非另外說明,所有參數是在輸入電壓為220V,交流50Hz以及環境溫度25℃下測試和規定的.
表1.1

額定電壓	輸出電流I(max)	限流範圍	過壓範圍	調壓範圍1	調壓範圍2	效 率
54.9V	28A	110％Imax	58.8-61.2V	52.55-52.75V	45.7 45.9V	＞87％

電壓：單相交流額定電壓有效值220V±20%
頻率：頻率範圍 45-65Hz
電流：在滿載運行時,輸入220V,小於8A。在264V時,衝擊電流不大於18A
效率：負載由50％－100％為表2.1值
功率因數：大於0.90,負載在50％以上,大於0.95
諧波失真：符合IEC 555-2要求
啟動延遲：在接通電源3秒內輸出達到它的額定電平
保持時間：輸入176V有效值,滿載,大於10mS
1.2 輸出
電壓：在滿載時,輸出電壓設定在表1值的±0.2％
電流：負載電流從零到最大值(參看表1)，過流保護開始是恒流,當電壓降低到一定值得時,電流截止.
穩壓特性：負載變化由零變到100％, 輸入電壓由176V變到264V最壞情況下輸出電壓變化不超過200mV.
瞬態響應： 在沒有電池連接到輸出端時,負載由10％變化到100％,或由滿載變化的10％,恢複時間應當在2mS之內.最大輸出電壓偏擺應當小於1V.
靜態漏電流：當模塊關斷時,最大反向泄漏電流小於5mA.
溫度係數：模塊在整個工作溫度範圍內≤±0.015％.
溫升漂移：在起初30秒內,±0.1％
輸出噪音：輸出噪音滿足通信電源標準,衡重雜音＜2mV.
1.3 保護
輸入：輸入端保護保險絲定額為13A.
輸出過壓：按表1.1設置過壓跳閘電壓,輸出電壓超過這個電平時,將使模塊鎖定在跳閘狀態.通過斷開交流輸入電源使模塊複位.
輸出過流：過流特性按表1.1的給定值示於圖1.過流時,恒流到60％電壓,然後電流電壓轉折下降.(最後將殘留與短路相同的狀態)
輸出反接：在輸入反接時,在外電路設置了一個保險絲燒斷(＜32A/ 55V)
過熱：內部檢測器禁止模塊在過熱下工作，一旦溫度減少到正常值以下,自動複位.
1.4 顯示和指示功能
輸入監視：輸入電網正常顯示.
輸出監視：輸出電壓正常顯示.(過壓情況關斷).
限流指示：限流工作狀態顯示.
負載指示： 負載大於低限電流顯示.
繼電器：輸入和輸出和輸入正常同時正常顯示。
輸出電流監視：負載從10％到100％,指示精度為±5％.
遙控降低：提供遙控調節窗口.
1.5 係統功能
電壓微調：為適應電池溫度特性,可對模塊的輸出電壓采取溫度補償.
負載降落：為適應並聯均流要求，應能夠調節外特性。典型電壓降落0.5％,使得負載從零到增加100％,輸出電壓下降250mV.
遙控關機：可實現遙控關機。
1.6 電氣絕緣
下列試驗對完成的產品100％試驗。
1.在L(網)和N(中線)之間及其它端子試驗直流電壓為6kV.
2.在所有輸出端和L,N及地之間試驗直流2.5kV.這檢查輸出和地之間的絕緣.
3.下列各點分別到所有其它端子試驗直流100V：
電壓降低(11和12腳)
繼電器接點(14,15和16腳)
狀態選擇-輸入,輸出和電流限製(3,4,5和6腳)
4.地連續性-以25A,1 分鍾檢查,確認安全接地的阻抗小於0.1Ω.
1.7 電磁兼容
符合郵電部通信電源標準.
2 機械規範
尺寸：略
重量： 略
安裝方向： 模塊設計安裝方向是麵板垂直放置,使空氣垂直通過模塊.
通風和冷卻： 模塊的頂部和底部都有通風槽,使空氣流通過模塊,經過散熱器.因此在係統中應當沒有阻礙地對流冷卻模塊,並應強迫冷卻裝置使冷卻空氣經過模塊自由流通.
3 環境條件
環境溫度： 在0～55℃溫度範圍內滿功率工作.在模塊下50mm處模塊的入口測量溫度.
存儲溫度：－40～+85℃
濕度：5％～80％,不結冰.
高度： -60m～2000m工作;-60m～10000m不工作.
4 可靠性
MTBF大於100000小時.
這些要求包括：輸入電源，輸入電壓的類型－交流還是直流。交流電源的頻率和電壓變化範圍，整流濾波方式，是否有功率因數要求？如果是直流電源，是直流發電機，還是蓄電池、抑或其它直流變換器？是電流源還是電壓源？它們的變化範圍和紋波大小。輸出電壓（電流）大小和調節範圍，穩壓（或穩流）精度，輸出有幾路？輸出電流（或輸出功率），輸出紋波電壓要求，是否需要限流？瞬態響應要求。負載特性：蓄電池，還是熒光燈，還是電機？這些電氣性能之外，是軍用還是民用？EMC要求，環境溫度。體積與重量要求。是否需要遙控，遙測或遙調？是否需要提供自檢測，如此等等。設計出的電源必須滿足這些要求。
1.1 主電網電源
如果你購進國外電氣設備，不管青紅皂白就去插上電源，弄不好就可能燒壞設備電源。因此，要安全使用國外設備，要知道國外電網電源的種類和相關標準。如果你設計的產品是提供出口，也必須了解該地區的電網的標準。
首先世界上主電網的交流電源頻率在美國是60Hz，而在中國和歐洲是50Hz。實際上，頻率也有一定的變化範圍，電網負荷重的時候，50Hz可能降低到47Hz；如果負載很輕時，60Hz可能上升到63Hz。這是因為帶動發電機的發動機轉速不可能是沒有調節公差的恒速運行。50Hz供電的直流電源必須使用比60Hz供電更大的濾波元件，供電變壓器鐵芯更大或線圈匝數更多。
其次電源電壓在不同地區也不同：在中國，家用電器和小功率電氣設備由單相交流220V供電，工業用電是三相380V。在美國民用電源為110V（有時是120V），而家用電器，如洗衣機電源是208V，而工業用電是480V，但是照明卻是277V，當然也有用120V的；在歐洲為230V，而在澳大利亞卻是240V，如此等等。
以上的電網電壓僅僅是其額定值，每一種電網都有允許偏差。例如電網隨負荷變化時產生較大波動。在上世紀末我國電網改造前，電網電壓波動範圍高達30%以上。隨著國民經濟發展，大量電廠建立，供電量充足，同時經過電網改造，合理輸配電，目前在我國大多數地區供電質量明顯提高，一般變化在10%以內，即在198V～242V之間。但在鐵道係統和某些邊遠山區變化範圍仍可能達到30%。因此，你設計的開關電源，必須迎合使用地區的供電情況，即使遇到意外情況，也能夠安全運行而不發生故障。有時電網也可能丟失幾個周波，要求有些電源能夠不間斷（保持時間）地工作，這就要求較大的輸出電容或並聯電池滿足這一要求。
電網還存在過壓情況。雷擊和閃電在2Ω阻抗上,引起線與線電壓和共模幹擾可高達6000V電壓。閃電有兩種類型，一種是短脈衝，上升時間1.2μs，衰減時間50μs，另一種很高能量，衰減時間1ms。電網還有瞬態電壓，峰值達750V，持續半個電網周期，這主要是大的負載的接入或斷開，或高壓線跌落引起電網的瞬變。
實際上工業電網麵臨的問題遠不止這些，交流電網是一個肮髒的環境。你所設計的電源應當能夠在這個環境中工作，同時還要滿足國際和各地區安全標準要求。
1.2 電池
在通信，電站，交通要求不間斷供電的地方，電池作為不可缺少的儲能後備能源。大量移動通訊站和手機，以及電動汽車，助力電瓶車都依靠電池提供能量。風力發電和太陽能發電存儲峰值能量作為後備能源。但是電池涉及到電化學和冶金學知識，已超出一般電氣工程師的知識範疇。這裏介紹一些使用電池基礎知識，使你知道設計充電電源和使用電池供電時應注意的一些問題。
利用電化學可逆原理做成的最基本的單元電池叫單體電池。典型的單體電池是由兩個金屬極板和構成它們之間導電通路工作介質組成，這種通路材料可能是液體或固體，與特定化學機理有關。這種結構關鍵在於是否能夠更有效進行電－化學反應（可再充電，即二次電池，也稱為蓄電池。不能再充電叫一次電池）。根據不同通路材料的安排，一個金屬極板為電池的陽極－正極，另一個則為陰極－負極。如將兩個金屬極板（陰極和陽極）接到電源上，電的作用改變了工作介質的化學狀態，這就是儲能。如將已儲能的電池極板接到負載，材料化學作用放出電荷返回到原始狀態，釋放出電能。
單體電池一般很低，例如鉛酸蓄電池單體電池額定電壓為2V。因此較高電壓的電池一般由許多單體電池串聯組成。應當注意：不要自己將電池連接成你需要的電壓和容量，電池不能直接並聯！你隻能按製造廠係列產品選擇你需要的電池容量和電壓。如果在每個電池端串聯一個二極管就可以並聯。
在電池工作範圍內，電池看起來像一個理想電壓源，但實際電源並非如此。首先，當充電時，端電壓會升高；放電時，端電壓會降低。這就說明蓄電池存在內電阻，圖1.1是標稱電流壓12V的NiH電池的伏安特性，隨著輸出電流的增加，輸出電壓下降（類似正弦雙曲線）。標稱電壓為12V，電池放出電流為負，充電電流為正。電池放出小電流時，電池端有一個類似電阻的壓降，電流加倍壓降也幾乎加倍；在大電流時，電壓降增加減慢；在端電壓下降到零以前，電流可以達到非常大的數值，但絕對不能將電池短路，如果將NiH電池輸出短路將引起電池爆炸！其次，電池不是與頻率無關的電壓源，在充電和放電時，產生電化學作用需要一定的時間，等效為電容與內阻並聯。此外，在典型開關頻率20kHz或更高時，電池有很大內阻抗。這是因為電池端子間，內部極板間存在小電感；例如，一個NiH（鎳－氫）電池可能具有200nH的感抗，五個這樣的電池串聯（獲得6V電壓）有大約1μH電感。如果開關頻率為200kHz，阻抗大約1Ω。所以這時電池不是理想電壓源，不可能吸收你的變換器產生的開關紋波，為此，通常在電池的兩端並聯一個電容，減少內電感的影響。

電池輸出電流和輸出電壓的關係還與溫度以及電池剩餘電荷量有關。如果放電電流太大，會損傷電池。幾乎所有電池，如果在遠低於它的工作溫度下放電，也會損壞電池。例如密封鉛酸電池在低於－10℃不能工作,這就是為什麼在很冷的天氣發動不了你的汽車。
製造廠標定電池的容量一般以電池具有的電荷量－安時（電流×時間＝電荷AH）來表示。這使得電源設計者感到為難，你不能夠簡單得到電池輸出參數與多大能量的關係，因為它不等於電池容量乘以輸出電壓；何況輸出電壓又與輸出電流有關。這些參數關係由製造廠以曲線形式提供的，而曲線似乎不能直接找到你設計需要的工作點，需要從這些曲線來回參照得到你需要的數據。你自己測試電池是不切實際的，因為每個製造廠製造的電池總有些小的差別，所以你不能假定每個電池具有相同的化學特性和安時定額，以及它們在同一場合具有相同的運行時間。
另一個現象是自放電。如果你充好電的電池放置在那裏，不接任何負載，它自己會逐漸失去存儲的能量。失去能量所需要的時間與化學工作介質有關：如NiH電池24小時；密封鉛酸蓄電池在溫度25℃下約16月容量損失50%，溫度升高10℃,時間縮短一半。而某些鋰電池可達幾年不等。所以放置不用的鉛酸電池一般每3個月得進行充放電維護一次。
電池不可能無限期充放電使用，電池也有壽命。在一定時間範圍內，電池經過多次充電/放電周期以後，不再能存儲額定容量，這個時間就是電池壽命的終止。它取決於電池如何工作，它經曆了多少個充電/放電周期，放電的深度如何等等。例如，鉛酸密封電池放電深度50%額定容量，充放電可達500～600次；放電深度100%，壽命僅200～300充放電周期。即使電池用於備份，所謂浮充狀態（總是保持充滿狀態），在5～10年內也需要更換。
電池是一個不愉快的能源，它也是一個不舒服的負載。當你對電池補充充電－均衡充電時，你不能用一個電壓源對其充電，因為電池充電電流與電壓成指數關係，會造成充電電流熱失控，將導致電池損壞。因此所有類型電池充電必須采取限流措施。如果電池充滿，即達到額定電壓時，應當轉換到浮充電狀態，補充自放電失去的能量，以保證電池保持滿容量狀態。
手冊中指定充電電流（放電電流也一樣）稱為“C”。1C定額是假定電池充電1小時達到電池的額定容量值：例如以1C（20A）對20AH電池充電一小時的電池容量為1×20A=20AH。鉛酸電池通常均衡充電電流小於0.3C。均衡充電一般首先以0.15C恒流充電一定時間，當達到容量的90%後，再轉換到恒壓充電，進入浮充狀態。浮充電壓通常由生產廠家設置。環境溫度25℃時，一般按單體電池電壓2.23V～2.35V（大部分用2.23V～2.25V）之間設置浮充電壓。環境溫度每升高1℃,浮充電壓下降0.005V。充滿電時單體電池端電壓在2.23V左右。過充電和充電電流過大都會損傷電池，使電池壽命大大縮短。電池充足後，維持自放電浮充電流，一般在0.05C以下。鉛酸電池還不能過放電，一般認為單體電池端電壓達到1.75V應當終止放電。所以，要正確使用電池應當對電池的充、放電電壓、電流和容量（電流和時間積分）進行檢測和控製，才能保證電池的長壽命。
各種不同化學機理的電池－鉛酸電池，鋰電池，鎳鎘電池，鋅－空氣和鎳氫（NiH）電池，無論那種，都具有自身的特性。所以你得花費一定時間去研究它們。最好的辦法是去找願意和你緊密合作的製造商，並認真地聽取他們忠告。
1.3 負載
開關電源供給各種不同的負載，各種負載都有自己的特性，負載對開關電源提出符合自己特性的要求。因此開關電源設計者必須了解負載特性，才能做好符合要求的電源。前麵討論了蓄電池一般特性，如果開關電源作為充電器對電池充電。則開關電源必須具有恒流充電和浮充能力。這裏不再討論。下麵分別簡要說明其它負載要求
1.3.1 計算機電源
現代計算機要求電源高速切換。現在許多計算機電源為3.3V，從數據庫調出數據，要求電源能適應30A/μs負載躍變。舉例來說，假定負載從零變化到7A，花的時間小於1μs。如果你的開關電源的帶寬20kHz，要變化到新的負載水平時間為1/20kHz＝50μs，假設電流上升是線性的，那麼你尚缺少的電荷量是(7A/2)50μs=175μC，如果允許3.3V電壓波動是66mV，如果此瞬態能量由電容提供，你應當需要175μC/66mV=3mF才能避免電壓跌落超過允許值。
值得注意的是你不能用一個3300μF電容達到這個目的，而是應當用許多小電容並聯。這是因為母線上電壓跌落並不是變換器的帶寬限製，而是電容的ESR造成的。你需要最大ESR為66mV/7A＝9mΩ的電容。如果每個電容的ESR近似為100mΩ，需要11個電容並聯，最好選擇300μF的鉭電容。當然這種計算是假定變換器輸出到負載連線是無電感和電阻的，如果引線長，你就需要更高性能的電源。
在以上計算中另一個假定是變換器有足夠的大信號響應。穩定性在以後詳細討論，但你必須確定滿足小信號響應誤差放大器的擺率(slew rate)也應當是足夠的，但這不總是正確的。變換器的大信號帶寬不能大於小信號帶寬，如果運放擺率較低，大信號帶寬可能比較小。
從以上的例子看到為使變換器體積減少，實質上是要變換器具有較寬帶寬和高速放大器。在今天的工業界，這是繼續推動開關電源向更高的開關頻率（帶寬不超過開關頻率的一半）的主要原因，某些變換器的工作頻率現在已達2MHz，帶寬100kHz。
1.3.2 要求低噪聲
各種負載要求噪聲是不同的。例如蜂窩電話電源中射頻功率放大器要求低噪聲。變換器電源提供放大器柵極和漏極（放大器由FET構成）電壓，如果電源上有變換器開關頻率的紋波，那麼放大器輸出也就有紋波，因為輸出功率由柵極和漏極電壓決定，通過改變這些電壓來控製輸出功率大小。而放大器輸出是射頻，紋波是載波頻率的邊帶。由於紋波被接收機作為信號解調產生的邊帶，所以很容易看到你不需要的紋波（諧波）。
有些情況就不一定。你的和提出要求的工程師研究研究，是否一定要很高的噪聲要求，並告訴他，噪聲要求越高，代價越大。
要滿足低噪聲的要求，應當考慮電感電流在輸出電容ESR上產生的峰峰值紋波和二極管及晶體管轉換產生的開關噪聲兩者的造成紋波。在要求非常低噪聲時，想用足夠大的濾波電感和多個電容並聯是不切實際的，一般在變換器輸出加後續線性調節器或外加濾波環節。
後續線性調節器決不是好的選擇，因為效率低。一般的辦法在主濾波器後麵增加一級LC濾波器（圖1.2）。如果反饋從原來輸出電容端取回，主反饋保持原來的穩定性，而與外加濾波無關。但外加的LC濾波是不可控製的，當階躍負載時將引起振鈴現象，破壞了引入附加濾波器的目的。


如果將反饋包含外加濾波器，這將引入兩個額外的極點，這兩個極點要是處於低頻段，將引起變換器工作的不穩定。一般取外加濾波器的諧振頻率為變換器帶寬的10倍，僅需要很小的相位補償處理（在以後詳細討論），同時仍然能給開關頻率適當地衰減。一般電感取得較小，電容較大，減少變換器的輸出阻抗。串聯電感在數百nH到幾個μH，一般不用鐵氧體磁珠，磁珠不能抗直流磁化，而采用小的MPP（皮莫合金磁粉芯）磁珠或鐵矽鋁磁芯，1匝輸出彙流條通過它即可。
如果你既要快速瞬態響應，又要低噪聲，那是最糟糕的負載。那你得運用以上的技術，還得花費許多心血。
1.3.3 電話
電話大約在100年前出現的，一直使用大量的鐵和銅，而不是半導體。它是由電話線供電，而不是電網供電，這就是為什麼電燈不亮，而電話照樣暢通。電源距離在幾百米，甚至幾千米以外，在電話和電源之間引入了較大電線電阻和電感。
電話有三個不同的模式：既不通話又沒有振鈴，通話，待通。這三種狀態具有不同的特性，每種特性在每個國家也是不同的。
為了解驅動電話振鈴有多困難，拿出一些數據來考慮。在振鈴狀態，電話看起來像一個電感和電容串聯並用一個低頻正弦波電源驅動。此正弦波在電話端電壓最小40Vrms(美國)或35V（德國）。實際上，由於電源輸出在達到電話之前經過不同阻抗分壓，需要的驅動電源電壓要高得多。美國近似7kΩ與8μF串聯，驅動電源是20Hz正弦波。而德國似乎是3.4kΩ與850nF串聯，用25Hz驅動。法國電話是大於2KΩ和小於2.2μF,可以用25Hz或50Hz驅動，取決於是差動（平衡）還是不對稱驅動。電話本身作為負載更是五花八門，阻抗由6kΩ～60kΩ，或更高。也不知道這些電話是怎樣電源供電，除非這個國家自行規定。甚至一個電源同時帶5個電話機。
1.3.4 熒光燈
熒光燈是另一個特殊負載，用一個特殊的稱為鎮流器的電源驅動。燈管就有很多類型，不同長度燈管和環形燈管，冷陰極大台燈，廣場照明的鈉燈等等。他們具有不同發光和電氣特性，但在他們之間重要的不同是否具有加熱燈絲。不需要燈絲的，僅需要兩根導線的稱為直接啟動燈管；如果有加熱燈絲，還需要增加兩根加熱燈絲導線稱為快速啟動燈管。因其他特性相同，這裏僅討論有燈絲的熒光燈。
熒光燈管是充氣的例如充有氬氣和一滴水銀液體，水銀在工作時蒸發成氣體。玻璃管內壁塗敷類似顯象管的熒光物質。工作時電壓通過氣體加在管兩端，燈管實際上有一個陰極和一個陽極，但加在燈管上是交流電，不必要區分正負。用交流可減少電極的電蝕。
必須有足夠的啟動電壓才能使燈管內的氣體電離，也就是說電離形成等離子。等離子發出紫外線光，激發了塗敷在管內壁的熒光物質轉變成可見光。它比利用高溫加熱發光的白熾燈發光效率高。
燈管內的水銀是劇毒物質，請不要隨地將燈管打破，否則嚴重破壞環境。
當燈管關斷時，它呈現高阻抗，因為水銀是液體，需要高壓啟動。冷陰極型（即沒有燈絲）就需要一定時間高壓以後導通它。帶有燈絲需要加熱燈絲，應用數百毫秒時間加高壓，預熱大大地降低了燈管的壽命。由於早先電子鎮流器忽視這個問題，電子鎮流器業發展較慢。
在燈絲預熱加上高壓以後，燈管導通。一旦燈管導通，燈管近似像一個穩壓管，如流過燈管的電流加倍，但燈管端電壓或許隻變化10%。管子通過加倍的電流，當然亮度也加倍，壽命也因此降低。因此需要一個鎮流器，保持燈管亮度，同時使電壓、電流保持在燈管廠家規定的允許範圍之內。
在導通狀態，燈絲仍然發熱，但已遠小於預熱時的功率。燈絲是電阻絲，可減少燈絲電壓減少發熱，而延長燈管壽命。
負載時各式各樣的，可見，不研究負載特性去做電源是不可能做好的。
1.4 安全
研究、開發和使用電源，當然要與交流電網高壓打交道。常常碰到不僅是交流高壓（220V/380V），而且還要遇到300V/500V直流。因此使用和操作人員應當時刻注意到用電的人身安全。國際及各國都製定了電氣設備的安全標準。
應當知道，觸電時是電流危及生命，而不是電壓。人體感覺到刺激的電流1mA，通過人體的電流達數十mA以上時，肌肉就產生收縮抽搐現象，使人體不能自己離開電線。將使心髒喪失擴張和收縮能力，直至死亡。但各人對電流的敏感程度相差較大。如表1.2 所示。


究竟多大電流、多長時間造成死亡尚不明白。為防護觸電，許多國家規定允許觸電電流與時間的乘積為30mAS。各國規定允許觸電電壓如表1.3。


不管怎樣，應當注意安全問題。首先，應避免帶電操作。即轉接電路時，應當在斷電情況下接線。如果高於50V直流，應一隻手接觸電路,一隻手放在背後，避免電流經一隻手流經心髒，再流過另一隻手構成回路。
同樣的理由，對地通路不導電。如果你的皮鞋橡膠底破了，就不必再穿了。
在許多電源中，由電網輸入（220V或380V）直接整流濾波，或經過PFC變換輸出高壓直流提供DC/DC變換器。有時需要測量電路波形。你是否知道示波器的金屬外殼是接地的？你是否還知道示波器輸入地與外殼是相連的？你是否還知道交流電網的中線、地線的連接方式？如果你不知道，就可能在測量操作被電擊或損壞被測電路元件。作者曾多次經曆過這樣的事例：用示波器觀察直接由單相電網可控整流電路，而造成操作者觸電和燒毀可控矽整流器，還有甚至損壞了控製電路。其中一個是示波器與整流器同一交流電源供電，示波器雖然有三線插頭，但是配電電路地線與中線是相連的，這就造成示波器接地外殼將被測電路短路。
從安全考慮，示波器必須三線製供電，即相、中和地－三線插頭。為了避免短路，示波器應當用一個變比為1:1的隔離變壓器隔離供電，這就避免了接觸任何高電位。即便如此，在檢測高於表2所示安全電壓的電路時，也應當在斷電的情況下轉換測試點。
如果電路中直流高壓大電容，在斷電情況下，即使設置了放電電阻（一般在大電容上並聯大電阻），仍需等待一定時間，要確認電容電壓是否完全放電後，才能進行電路操作。
實驗室內的桌麵應當有絕緣墊，座椅最好不是導電材料。地麵也應當良好絕緣。

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