【導(dǎo)讀】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。
一、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。
二、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。
三、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?/div>
4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)的系統(tǒng)框圖
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。
四、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。
五、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(jiǎn)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。
六、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)祝?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大小:電解電容>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(jiǎn)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。
七、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: