1、電源基礎(chǔ)知識(shí)介紹,電源和通用芯片技術(shù)組,內(nèi)容提要,簡(jiǎn)介 開(kāi)關(guān)電源的原理 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 電源基本指標(biāo)測(cè)試,簡(jiǎn)介,廣義上來(lái)講，目前任何一個(gè)電子設(shè)備都需要一個(gè)直流電源來(lái)供電 這個(gè)直流電源可以是電池或是一個(gè)電源（Power Supply）； 大多數(shù)電源需要一個(gè)經(jīng)過(guò)輸入輸出濾波的，并且輸出是需要精確控制的，等等 電源：把一種電能變換成所需要的電能形式的裝置。,簡(jiǎn)介,電源分類(lèi)： 1、電源按能量變換方向區(qū)分有以下四類(lèi)： AC/DC 電源 power； DC/DC 變換器 converter； DC/AC 逆變器 inverter； AC/AC UPS/變頻器 transducer； 以上四類(lèi)在通信系

2、統(tǒng)中都有應(yīng)用，其中AC/DC 電源與 DC/DC變換器是應(yīng)用最廣的電源。,簡(jiǎn)介,2、按應(yīng)用環(huán)境區(qū)分： 通信電源、工業(yè)電源、軍用電源、民用電源 3、按結(jié)構(gòu)和功能區(qū)分： 一次電源模塊、二次電源模塊、電源系統(tǒng) 4、按設(shè)計(jì)原理區(qū)分： 傳統(tǒng)的線(xiàn)性電源（包括單板內(nèi)使用的電壓調(diào)整器，利用開(kāi)關(guān)管線(xiàn)性穩(wěn)壓）、 現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源（ 高頻DC/DC變換器）,簡(jiǎn)介,目前在我司數(shù)通產(chǎn)品上應(yīng)用的電源主要是AC/DC和DC/DC電源。 不同點(diǎn) AC/DC電源的輸入電壓為交流； DC/DC電源的輸入電壓為直流，可以是電池或另外一個(gè)輸出為直流的電源； 相同點(diǎn) 輸出電壓都是經(jīng)過(guò)精密調(diào)整的直流電壓； 采用的電壓變換技術(shù)基本都是PWM技

3、術(shù)； 都可以根據(jù)客戶(hù)的需求，提供原副邊的高頻隔離等；,簡(jiǎn)介,線(xiàn)性電源 開(kāi)關(guān)電源 DC/DC變換器 開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),線(xiàn)性電源,1. 線(xiàn)性電源的一般定義 利用功率三極管或MOSFET放大區(qū)工作特性，和反饋網(wǎng)絡(luò)控制其導(dǎo)通特性并依賴(lài)自身的損耗，保持輸出電壓穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換裝置。主要包括如下幾個(gè)功能單元： 整流變換：將AC輸入電壓變換成為直流輸出電壓； 濾波：平滑整流輸出中所含有的紋波電壓； 電壓變換功能：將交流的輸入電壓轉(zhuǎn)換為另一種合適的直流電壓； 調(diào)整：實(shí)現(xiàn)在輸入電壓變化、負(fù)載變化以及溫度變化時(shí)，維持輸出恒定的功能； 隔離：電源中原邊和副邊在電氣上的隔離；,線(xiàn)性電源,2): 理想電源的特征 - 穩(wěn)

4、定的電壓輸出， （與輸入， 負(fù)載， 溫度及時(shí)間等的變化無(wú)關(guān)）； - 零輸出阻抗（對(duì)任何頻率）； - 100% 的變換效率； - 純凈的直流輸出波形（無(wú)噪音及紋波）等.,線(xiàn)性電源,雖然有很好的調(diào)整率，但實(shí)際上，輸出電壓是隨著輸入電壓、輸出負(fù)載、工作溫度的變化等變化的； 這些變化量是可以測(cè)量的，如：負(fù)載調(diào)整率，源調(diào)整率，溫度變化率等；,3、 實(shí)際電源的特性,線(xiàn)性電源,4): 線(xiàn)性電源的結(jié)構(gòu)框圖,線(xiàn)性電源,開(kāi)關(guān)管功率損耗：Io x（Vg-Vo） 輸入功率：Pin=Vg x Io,5. 典型的線(xiàn)性電源電路,線(xiàn)性電源,6、線(xiàn)性電源的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn): - 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、小功率變換成本低廉 - 低輸出紋波與噪

5、音 - 極好的電壓與負(fù)載調(diào)整率 - 快速響應(yīng)時(shí)間 - 無(wú)高頻開(kāi)關(guān)紋波EMI 缺點(diǎn): - 功率密度不高，大功率體積大 - 低效率 - 消耗鋼材 - 保持時(shí)間短、控制特性不好,線(xiàn)性電源,7、線(xiàn)性電源典型應(yīng)用 AC/DC電源 桌面辦公小功率終端設(shè)備（Adapter,10w-20w）：電話(huà)、MODEM、隨身聽(tīng)、ISDN話(huà)機(jī)。 DC/DC線(xiàn)性變換 小功率變換，電流一般小于3A，功率損耗一般建議小于2W；電路簡(jiǎn)單，占用單板面積小，典型器件：LM7805、LT1084、LT1085、等。 超低壓差電壓變換，例如使用LT1764、MIC29302，壓降滿(mǎn)足0.5V以上即可以輸出穩(wěn)定電壓。 利用線(xiàn)性變換降低開(kāi)關(guān)

6、電源的紋波，給紋波敏感電路（例如敏感模擬電路）供電，抑制開(kāi)關(guān)紋波的干擾。,線(xiàn)性電源,8、線(xiàn)性電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)考慮因素： 壓差 輸出電流 損耗功率 輸入電壓范圍,線(xiàn)性電源,9、線(xiàn)性電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)實(shí)例,開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)關(guān)電源,定義：利用功率半導(dǎo)體器件使變壓器工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)（飽和導(dǎo)通或截止），利用L、C儲(chǔ)能并通過(guò)PWM控制獲得需要的電壓的裝置。 1、開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn): -高效率、體積小; -高功率密度; -寬的輸入電壓范圍及帶載能力; -更多的功能, 等. 缺點(diǎn): -高噪音及EMI; -慢響應(yīng)時(shí)間; -較差的調(diào)整率, etc.,開(kāi)關(guān)電源,2、 開(kāi)關(guān)電源與線(xiàn)性電源的優(yōu)缺點(diǎn)比較,開(kāi)關(guān)電源,3

7、、 開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源的典型指標(biāo)比較,開(kāi)關(guān)電源,4、開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu),開(kāi)關(guān)電源,5、DC/DC變換器原理框圖,開(kāi)關(guān)電源,6、常用隔離DC/DC變換器拓?fù)浼肮ぷ髟斫榻B 反激變換器 適用與小功率應(yīng)用場(chǎng)合，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 噪聲較大； 控制性能較難優(yōu)化；,開(kāi)關(guān)電源,反激式工作波形波形,開(kāi)關(guān)電源,單端正激變換： 適用與中大功率應(yīng)用場(chǎng)合； 噪聲小，控制性能容易優(yōu)化；被廣泛應(yīng)用； 類(lèi)型：諧振復(fù)位；三繞組復(fù)位；有源復(fù)位等,開(kāi)關(guān)電源,正激式工作波形波形,開(kāi)關(guān)電源,非隔離的DC/DC變換器 基本的無(wú)隔離變換器拓樸 Buck變換器 Boost 變換器 Buck/boost 變換器 Basi Cuk 變換器 Cu

8、k 變換器 Sepic變換器 Zeta 變換器,開(kāi)關(guān)電源,Buck（降壓）變換,開(kāi)關(guān)電源,Buck 電路的特點(diǎn)： 1) Vo是Vs在Ts內(nèi)的平均值，因此Vo總比Vs小。變換器可以看作是低通電壓斬波器。 2) 輸入電流是脈動(dòng)的，紋波大；輸出電流是連續(xù)的，紋波小。 3) 應(yīng)該避免工作在斷續(xù)狀態(tài)，以防止開(kāi)關(guān)管承受過(guò)高電壓，及續(xù)流二極管承受過(guò)大電流。,開(kāi)關(guān)電源,Boost升壓變換器,開(kāi)關(guān)電源,Boost 電路的特點(diǎn) 1） 輸入電流紋波小，輸出電流紋波大。開(kāi)關(guān)管、二極管的電流總是脈動(dòng)的。過(guò)大的電壓、電流應(yīng)力容易損壞器件。 2）連續(xù)方式下，紋波電流隨電感的增大而變小。 3）在BOOST電路中，不能空載，否

9、則輸出電壓很高，有可能損傷電路中器件。,開(kāi)關(guān)電源,Buckboost變換器,開(kāi)關(guān)電源,Buck-Boost 電路的特點(diǎn) 1） 輸出電壓與輸入電壓反相。 2） 電壓增益隨d變化，可以升壓也可以降壓。 3） 輸入輸出電流都是脈動(dòng)的，在應(yīng)用時(shí)需要加濾波器，以減少電磁干擾，電路較復(fù)雜。 4） 由于大電流脈動(dòng)，所以需要考慮開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力和二極管的電流應(yīng)力。,開(kāi)關(guān)電源,7、AC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)例,開(kāi)關(guān)電源,AC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)例(續(xù)) 上面電路是一個(gè)典型的反激變換器，具有輸入電壓范圍寬（92V-270V）、體積小、電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)； 主要用于筆記本電腦、手機(jī)充電器、以及其他小功率設(shè)備。,開(kāi)關(guān)電源,8、DC

10、/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)例,開(kāi)關(guān)電源,DC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)例（續(xù)） 控制功能端 CNT（又名ON/OFF、Remote、Enable）：通過(guò)對(duì)CNT端高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)模塊輸出有效的使能。分正邏輯和負(fù)邏輯，分別對(duì)應(yīng)高、低電平使模塊輸出有效； 輸出調(diào)整功能 (TRM)：模塊通常允許10的輸出電壓調(diào)整，通過(guò)改變輸出電壓反饋回路中分壓比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的微調(diào)。通過(guò)TRIM端并聯(lián)電阻，來(lái)改變反饋回路的分壓值。根據(jù)調(diào)節(jié)誤差放大器輸入電壓采樣值或參考電壓值的不同方式，可分為正邏輯和負(fù)邏輯兩種模式。 輸出線(xiàn)路壓降補(bǔ)償（Sense）：電源的輸出電壓反饋采樣一般都設(shè)計(jì)在輸出Pin上。在用戶(hù)板上當(dāng)負(fù)載線(xiàn)較長(zhǎng)，負(fù)載電流大時(shí)

11、，導(dǎo)線(xiàn)上的壓降不可避免。為保證負(fù)載電壓為設(shè)定值，業(yè)界將采樣端從輸出Pin移到負(fù)載端的Sense Pin。設(shè)計(jì)中通過(guò)Vout與Sense間接一小電阻，作為線(xiàn)路壓降的分壓。以保證Sense端電壓近似于負(fù)載端電壓。Rs相對(duì)于R1、R2小很多，通常Rs取10。缺陷是當(dāng)Vout接觸不良時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)Rs，容易燒壞電阻Rs。,開(kāi)關(guān)電源,9、非隔離DC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)例,BUCK型開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)關(guān)電源,非隔離DC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)例（續(xù)） 上面是一個(gè)我司單板最常用的一個(gè)BUCK降壓電路，控制器是 TPS40071。Q2是同步整流開(kāi)關(guān)管，對(duì)應(yīng)于前面提到的BUCK拓?fù)潆娐返亩O管D。,開(kāi)關(guān)電源,10、開(kāi)關(guān)電源其它

12、常用功能介紹 原邊CNT（ON/OFF）功能 提供控制模塊關(guān)斷的邏輯功能 原邊過(guò)溫保護(hù)（OTP） 保護(hù)模塊工作于一定的溫度范圍內(nèi)，自身保護(hù)的一種 原邊欠壓保護(hù)（UVP） 自我保護(hù)的一種，同時(shí)也是保證系統(tǒng)正常工作的一種電路 原邊限流保護(hù)（OCP） 模塊自身的保護(hù)，保護(hù)在副邊電路發(fā)生故障時(shí)，不使故障擴(kuò)大 副邊過(guò)壓保護(hù)（OVP） 保護(hù)用戶(hù)電路在模塊發(fā)生故障時(shí)不會(huì)損壞 副邊電壓調(diào)整功能（TRIM端） 根據(jù)客戶(hù)的需要適當(dāng)調(diào)高/降低模塊的輸出電壓 副邊輸出電壓補(bǔ)償功能（SENSE） 補(bǔ)償用戶(hù)端線(xiàn)路壓降，保證用戶(hù)電路端的電壓滿(mǎn)足要求,開(kāi)關(guān)電源,11、開(kāi)關(guān)電源的特征總結(jié) -效率和尺寸 高頻隔離、高開(kāi)關(guān)頻率高功

13、率密度 -開(kāi)關(guān)模式運(yùn)行 高的di/dt和dv/dt，電路中的雜散參數(shù)， 二極管的反向恢復(fù)等高的輻射干擾，傳導(dǎo)干擾 -開(kāi)關(guān)干擾 傳導(dǎo)干擾：通過(guò)輸入輸出濾波器降低； 輻射干擾：通過(guò)金屬殼的屏蔽、PCB的布板等來(lái)解決；,開(kāi)關(guān)電源,12、主要封裝對(duì)應(yīng)尺寸：(mm) 1/4磚：57.936.812.7 半磚：61.0 57.912.7 3/4磚：87.661.012.7 全磚：116.861.014 .0,開(kāi)關(guān)電源,13、電源模塊應(yīng)用主要參數(shù)： 輸入電壓范圍：48V 36V72V 24V 18V36V 輸出電壓范圍：額定1 輸出額定電流：應(yīng)用中超過(guò)該額定值，輸出電壓跌落，通常模塊設(shè)計(jì)中會(huì)有一定的裕度。

14、輸出額定功率：該指標(biāo)與輸出電流相對(duì)應(yīng)，在單板設(shè)計(jì)中，模塊功率降額通常為80%。 輸出效率：同功率模塊，效率越低，發(fā)熱越嚴(yán)重。 輸出紋波： 50mV 負(fù)載調(diào)整率：0.5% 電壓調(diào)整率：0.2%,電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),1、輸入功率因數(shù)校正技術(shù) 減少電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的污染 IEC-1000-3-2 標(biāo)準(zhǔn) 主電路方案： - 無(wú)源波形矯正技術(shù) - 有源波形矯正技術(shù) 兩級(jí)：Boost PFC 前置級(jí) +DC/DC; 一級(jí)：包含一級(jí) PFC 與 DC/DC,電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),2、低電壓高功率密度 DC/DC 變換技術(shù) 無(wú)負(fù)載快速瞬態(tài)響應(yīng)特性要求 用于電信的DC/DC模塊 48V或24V 輸入 5V、3.3

15、V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V、1.0V、12V、15V、18V、24V、28V、48V單路或多路輸出 功率從10W到150W 體積從全磚、半磚、1/4磚、1/8磚,電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),3、低電壓高功率密度 DC/DC 變換技術(shù) 有快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求，以超高速CPU dc/dc電源為代表的VRM（電壓調(diào)節(jié)器模塊） 二類(lèi)：非隔離 VRM ，隔離VRM 輸入: 12V, 24V, 48V; 輸出: 2.5V, 2.0V, 1.8V, 1.5V, 1.2V, 1.0V; 負(fù)載: 0A to 70A; 變化率: 30A/us (present) to 150A/us(future) 高的

16、輸出調(diào)節(jié)特性,電源基本指標(biāo)測(cè)試,1、輸出電壓精度 在額定輸入電壓和額定負(fù)載下，輸出電壓用電壓表測(cè)量，測(cè)量值與正常的額定值之間有一定的差別、這個(gè)差值用百分比來(lái)計(jì)算就是輸出電壓精度。 Vo：由高精度的并進(jìn)過(guò)校正的直流電壓表所測(cè)得的輸出直流電壓； Vo(nominal)：規(guī)定的標(biāo)稱(chēng)輸入電壓. accuracy：精度,電源基本指標(biāo)測(cè)試,2、輸入調(diào)整率（源效應(yīng)） 額定的負(fù)載條件下，輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時(shí)、被測(cè)電源的輸出端亦發(fā)生相應(yīng)的微小變化。這個(gè)輸出電壓隨輸入電壓變化的百分比稱(chēng)為輸入調(diào)整率。,電源基本指標(biāo)測(cè)試,3、負(fù)載調(diào)整率（負(fù)載效應(yīng)） 在額定輸入電壓條件下，空載或最小負(fù)載下的輸出電壓和滿(mǎn)載輸出電

17、壓的差值與額定負(fù)載下輸出電壓的百分比。它表征了負(fù)載變化對(duì)電源輸出電壓的影響程度。這種變化用百分比表示如下：,Vo: 額定負(fù)載下測(cè)得的輸出電壓 Vo1:在無(wú)負(fù)載情況下及最小負(fù)載下測(cè)得的輸出電壓 注: 許多開(kāi)關(guān)電源有負(fù)載范圍, 比如 20%-100%. Load Regulation:負(fù)載調(diào)整率,電源基本指標(biāo)測(cè)試,4、輸出紋波和噪聲 紋波和噪聲是疊加在直流輸出電壓上的交流成分，在一次電源中紋波的頻率大約是工頻的2倍即100Hz。噪聲主要是由PWM調(diào)節(jié)引起，一般電源的開(kāi)關(guān)頻率在100200KHz 之間，所以開(kāi)關(guān)噪音的頻率也在這個(gè)范圍之內(nèi)。非周期性隨意出現(xiàn)的部分成為噪音。 二次電源的紋波和噪聲沒(méi)有一次電源有規(guī)律，主要是由輸出濾波電容的充放電、PWM調(diào)節(jié)和干擾引起。與電源開(kāi)關(guān)頻率同頻的波動(dòng)即紋波 ， 高頻雜波部分即噪聲。,電源基本指標(biāo)測(cè)試,紋波和噪聲的組成： 整流紋波（Rectified main RIPPLE），頻率為100Hz左右，由整流器整流產(chǎn)生的； 開(kāi)關(guān)紋波（PWM frequency RIPPLE），頻率為開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率，由開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷產(chǎn)生的； 開(kāi)關(guān)噪聲（Switching NOIS