开关电源之我见.docx

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开关电源之我见

开关电源之我见

一、填谷滤波电路

这是一种低成本的无源功率因数补偿电路，也称作“填谷滤波电路”。

是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。

电容用于滤波,二极管起保护电容作用，与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，成本较低，功率因数补偿效果显著。

常用于LED照明电路，三个二极管和两个电容构成了“串联充电，并联放电”的电路工作模式，系统上电时，假定断开后端的buck电路及负载，电流流向为左电容-->中间二极管-->右电容；当输入交流电压过零点附近需要电容储能释放时，电路的工作方式变为左电容+下二极管//右电容+上二极管。

这样的好处是：

1.电容的耐压值可以相应较低，如为交流峰峰值的一半，当然要考虑留有一定的余量；

2.单个电容的容值可以较小，两个电容并联，容值double；

3.启动时冲击电流小；可以想像如果按常规电路直接放一个电容容值需要220uF，此电路中单个电容只需要110uF，上电时由于两个电容串联，其等效电容只有55uF，是常规电路的1/4，因此其启动脉冲电流理论上也降了3/4.

二、开关电源电路中电阻的选用

电阻一端接整流后电源的正极（+300v），二极管正极接开关管的漏极D，保护开关管的电路，限制反峰值，不是普通二极管，这个电路一般用在MOS管的漏极，保护芯片的作用，叫RCD电路。

钳位电路工作原理：

引入RCD钳位电路，目的是消耗漏感能量，但不能消耗主励磁电感能量，否则会降低电路效率。

要做到这点必须对RC参数进行优化设计，下面分析其工作原理：

当S1关断时，漏感Lk释能，D导通，C上电压瞬间充上去，然后D截止，C通过R放电。

实验表明R或C值越小就会这样，R太小，放电就快，C太小很快充满，小到一定程度就会这样回到零。

开关电源电路中电阻的选用，不仅仅考虑电路中平均电流值引起的功耗，还要考虑耐受最大峰值电流的能力。

其典型例子为开关MOS管的功率取样电阻，在开关MOS管到地之间串联的取样电阻，一般此阻值极小，压降最大不超过2V,按功耗来算似乎不必采用大功率电阻，但考虑到耐受开关MOS管最大峰值电流的能力，在开机瞬间此电流幅度比正常值大很多。

同时，该电阻的可靠性也极为重要，如果在工作中受电流冲击而开路，则该电阻所处印制电路板上的两点之间将产生等于供电电压加上反峰电压的脉冲高压而被击穿，同时还将过流保护电路的集成电路IC击穿。

为此，一般该电阻均选用2W的金属膜电阻。

有的开关电源中用2-4只1W电阻并联，并非增大耗散功率，而是提供可靠性，即使一只电阻偶尔损坏，还有其他几只，以避免电路出现开路现象发生。

同样道理，开关电源输出电压的取样电阻也至关重要，一旦该电阻开路，取样电压为零伏，PWM芯片输出脉冲升到最大值，开关电源输出电压急剧升高。

另外还有光电耦合器（光耦）的限流电阻等等。

在开关电源中，电阻的串联运用很常见，其目的不是为了增大电阻的功耗或者阻值，而是为了提高电阻耐受峰值电压的能力。

电阻在一般情况下，对其耐压不太留意，实际上功率和阻值不同的电阻是有最高工作电压这一指标的。

当处于最高工作电压时，由于电阻极大，其功耗并未超过额定值，但电阻也会击穿。

其原因是，各种薄膜电阻是以薄膜的厚度控制其阻值外，对高阻值电阻还在薄膜烧结以后，以刻槽的方式延长薄膜的长度，阻值越大，刻槽密度也大，当用于高压电路时，刻槽之间发生打火放电造成电阻损坏。

因此开关电源中，有时故意用几个电阻串联组成，以防止这一现象的发生。

例如常见的自激式开关电源中的启动偏置电阻、各种开关电源中开关管接入DCR吸收回路的电阻，以及金属卤化物灯镇流器中的高压部分应用电阻等等。

PTC和NTC属于热敏性能元器件。

PTC具有很大的正温度系数，NTC则相反，有很大的负温度系数，其阻值与温度特性、伏安特性和电流与时间关系都与普通电阻完全不同。

在开关电源中，正温度系数的PTC电阻常用于需要瞬间供电的电路。

例如它激驱动集成电路供电电路采用的PTC,当开机瞬间其低阻值向驱动集成电路提供启动电流，待集成电路建立输出脉冲后，再由开关电路整流电压供电。

在此过程中，PTC因通过启动电流温度升高，阻值增大而自动关闭启动电路。

NTC负温度特性电阻被广泛应用于开关电源的瞬间输入的限流电阻，用以取代传统的水泥电阻，不仅节能，还降低了机内温升。

开关电源在开机的瞬间，滤波电容的初始充电电流极大，NTC迅速升温，待电容充电峰值过后，NTC电阻因温度升高阻值减小，在正常工作电流状态下保持其低阻值，使整机的功耗大为减小。

另外，氧化锌压敏电阻也常用于开关电源线路中。

氧化锌压敏电阻有极快速的尖峰电压吸收功能，压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过阀值时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。

利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。

压敏电阻一般接在开关电源市电输入端，能够吸收电网感应雷电高压、在市电电压超高时，起到保护作用。

零值电阻

在开关电源设计里，经常会看到一些零值电阻，他们有时也必不可少：

1、在电路中没有任何功能，只是在PCB上为了调试方便或兼容设计等原因。

2、可以做跳线用，如果某段线路不用，直接不贴该电阻即可（不影响外观）3、在匹配电路参数不确定的时候，以0欧姆代替，实际调试的时候，确定参数，再以具体数值的元件代替。

4、想测某部分电路的耗电流的时候，可以去掉0ohm电阻，接上电流表，这样方便测耗电流。

5、在布线时,如果实在布不过去了,也可以加一个0欧的电阻6、在高频信号下，充当电感或电容。

（与外部电路特性有关）电感用，主要是解决EMC问题。

如地与地，电源和ICPin间7、单点接地（指保护接地、工作接地、直流接地在设备上相互分开,各自成为独立系统。

）8、熔丝作用跨接时用于电流回路

当分割电地平面后，造成信号最短回流路径断裂，此时，信号回路不得不绕道，形成很大的环路面积，电场和磁场的影响就变强了，容易干扰/被干扰。

在分割区上跨接0欧电阻，可以提供较短的回流路径，减小干扰。

配置电路，一般，产品上不要出现跳线和拨码开关。

有时用户会乱动设置，易引起误会，为了减少维护费用，应用0欧电阻代替跳线等焊在板子上。

空置跳线在高频时相当于天线，用贴片电阻效果好。

三、隔离与非隔离

隔离与非隔离就是有无次级线圈的问题，电－磁－电，就是隔离，电－电，就是非隔离，安全性就是输入电压或电流出了问题，隔离的，顶多只坏了驱动电源，而不会把灯具炸了，这就是安全。

隔离电源是使用变压器将220V电压通过变压器将电压降到较低的电压，然后再整流成直流电输出供电脑使用。

因为变压器的主线圈承受220V电压，次级线圈只承受输出的低交流电压，并且主次线圈之间并不直接连接，所以称为隔离电源。

非隔离电源是用220V直接输入到电子电路，在通过电子元件降压输出，输入输出是通过电子元件直接连接的，所以称非隔离电源;两者从表面上看就是有无变压器的区别。

但请注意，有些厂家为节省成本，采用在主线圈上直接抽头提取低电压的办法，这种办法看似有变压器，实际没有次级线圈，不能算是隔离电源!

非隔离电源：

电源的输入与输出供地（或供参考点）DC/DC变换器中无输出变压器的多为非隔离电源。

　隔离电源：

电源的输入与输出不地（或参考点）如AC/DC变换器输入AC端得地与输出DC地就是隔离的。

隔离与非隔离的区别主要在于隔离稳压器输入电路与输出电路是不共地的，而非隔离式的是共地的。

一般来说，非隔离的都有原边和副边的电感绕组，而隔离式的只有单个的电感。

在大功率和对地线干扰防护要求比较高的时候使用隔离式的，在比较简单和体积要求比较紧张的场合使用非隔离式的。

四、开关电源与线性电源

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的连通与截止。

将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压!

转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。

所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热!

!

成本很低。

如果不将50Hz变为高频，那么开关电源就没有意义!

开关变压器也不神秘就是一个普通的变压器!

这就是开关电源。

开关电源，是通过电子技术实现的，主要环节：

整流成直流电—逆变成所需电压的交流电（主要来调整电压）—再经过整流成直流电压输出。

开关电源的结构中由于中间没有变压器和散热片，因而体积非常小。

同时，开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。

虽然，具有电磁干扰等缺点，但现在的屏蔽技术已经非常到位。

开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有。

调制方式可分为脉冲跨周期调制（PSM），PWM（脉冲宽度调制）。

　　简单地说，开关电源的工作原理是：

　　1.交流电源输入经整流滤波成直流;

　　2.通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上;

　　3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载;

　　4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰;在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高;开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出;一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。

　　以上说的就是开关电源的大致工作原理。

　　其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片，可以使外围电路非常简单，甚至做到免调试。

例如TOP系列的开关电源芯片（或称模块），只要配合一些阻容元件，和一个开关变压器，就可以做成一个基本的开关电源。

　　开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的Mos管轮流导通，首先电流通过上桥Mos管流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在线圈中，最后关闭上桥Mos管，打开下桥的Mos管，线圈和电容持续给外部供电。

然后又关闭下桥Mos管，再打开上桥让电流进入，就这样重复进行，因为要轮流开关Mos管，所以称为开关电源。

　　而线性电源就不一样了，由于没有开关介入，使得上水管一直在放水，如果有多的，就会漏出来，这就是我们经常看到的某些线性电源的Mos管发热量很大，用不完的电能，全部转换成了热能。

从这个角度来看，线性电源的转换效率就非常低了，而且热量高的时候，元件的寿命势必要下降，影响最终的使用效果。

开关电源和线性电源的区别主要是他们的工作方式。

　　线性电源功率器件工作在线性状态，也就是说他一用起来功率器件就是一直在工作，所以也就导致他的工作效率低，一般在50%~60%，还得说他是很好的线性电源。

线性电源的工作方式，使他从高压变低压必须有降压装置，一般的都是变压器，也有别的像KX电源，再经过整流输出直流电压。

这样一来他的体积也就很大，笨重，效率低、发热量也大。

他也有他的优点：

纹波小，调整率好，对外干扰小。

适合用与模拟电路，各类放大器等。

开关电源，他的功率器件工作在开关状态，（一开一关，一开一关，频率非常快，一般的平板开关电源频率在100~200KHz，模块电源在300~500KHz）。

这样他的损耗就小，效率也就高，对变压器也有了要求，要用高磁导率的材料来做。

有点墨迹了，他的变压器就是一个字小。

效率80%~90%吧。

据说美国最好的VICOR模块高达99%。

开关电源的效率高体积小，但是和线性电源比他的纹波，电压电流调整率就有折扣了。

五、浪涌电流

在各种过去和现在常用的电源中，开关电源是很普及的，一般可以满足任何设计要求。

这种电源很经济，但在工业设计中也存在一些问题。

这就是很多开关电源（特别是大功率开关电源），都存在一个固有的缺点：

在加电瞬间要汲取一个较大的电流。

这个浪涌电流可能达到电源静态工作电流的1O倍～100倍。

由此，至少有可能产生两个方面的问题。

第一，如果直流电源不能供给足够的启动电流，开关电源可能进入一种锁定状态而无法启动;第二，这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低，足以引起使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电。

传统的输入浪涌电流限制方法是串联负温度系数热敏限流电阻器（NTC），然而这种简单的方法具有很多缺点：

如NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大、限流效果在短暂的输入主电网中断（约几百毫秒数量级）时只能部分地达到、NTC电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率……。

其实上面提出的这两个问题可以通过一个“软启动电路”来解决，下面详细介绍之。

1、开关电源浪涌电流产生的原因

开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100A以上。

在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏;轻者也会使空气开关合不上闸。

上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证二手机器人电源正常而可靠运行。

2软启动电路电气工作原理

如果采用“软启动电路”来消除开关电源启动时的浪涌电流，可以很好地避免上述传统浪涌电流限制方法的缺点。

通过“软启动”来控制开关电源的启动以消除浪涌电流，包含这样两条设计原则：

即在加电瞬间除去负载、同时限制有用的电流。

如果不驱动负载，开关电源启动时一般电流很小。

在很多情况下，启动电流实际有可能要比利用这种方法保持的稳态工作电流。