1、開關電源基礎知識2009 年 02月1培訓簡介培訓目的：本次培訓作為一個基礎知識講座，旨在使大家對開關電源的原理有一個基本認識，熟悉電源的指標和測試，以及了解電源的可靠性等知識。培訓時間：1小時培訓地點：2目錄1.開關電源基本原理1.1 線性電源和開關電源比較1.2 常用開關電源類別1.3 30W電源簡介2.常用電氣指標即測試方法2.1 測試儀器要求 2.7 穩壓精度2.13抗電強度2.2 最大輸入電流 2.8 輸出紋波即雜音2.14絕緣阻抗2.3 啟動沖擊電流 2.9 瞬態響應2.15效率2.4 交調測試 2.10開機延時2.16功率因素2.5 電壓調整率 2.11輸出電壓動態響應2.6 負

2、載調整率 2.12保護電路3.電源可靠性31. 開關電源基本原理1.1 線性電源和開關電源比較 線性電源一般用工頻變壓器將市電高壓交流電轉換為低壓交流電，再經整流濾波成為一個直流電壓，然后利用有源器件導通電阻的可變性將這個直流電壓降至設定的輸出電壓。下圖為一個簡單的線性串聯穩壓電路：41.1 線性電源和開關電源比較 隨著電子元件和磁性元件的發展，越來越多的電子設備使用了開關電源。因為開關電源有相比線性電源1000倍以上的開關頻率，因而在重量、體積、效率等方面具有明顯的優勢。開關電源的使用越來越廣泛，如郵電通信、軍事裝備、交通設施、儀器儀表、工業設備、醫療設備、家用電器等都越來越多的應用了開關電

3、源。51.1 線性電源和開關電源比較6 目前開關電源廣泛采用的是PWM脈寬調制方式，即功率開關管的開關頻率固定，通過調整開關管的導通、截止時間來達到穩定輸出電壓的目的。 PWM開關電源可以實現AC-DC、DC-DC、DC-AC等升降壓變換，根據電路拓撲的方式又基本可分為反激式、正激式、推挽式、半橋式、全橋式等等，還有一些從這些基本拓撲演變出來的其他方式。1.2 常用開關電源類別71.2 常用開關電源類別1. 反激式 主要應用于小功率電源（100W以下）變壓器主要作用為電壓變換和儲能。2. 正激式 用于中大功率電源（500W）左右，變壓器作為電壓變換，輸出有一個儲能電感，開關管截止時釋放能量。圖

4、二位雙關正激的電路，功率可做得更大一些。81.2 常用開關電源類別3. 半橋電路 可做大功率電源，輸入開關管電壓應力較低，輸出全波整流效率高。91.3 開關電源簡介下面我們用一個開關電源來介紹開關電源的各個組成部分及功能：EMI電路PFC防浪涌電路整流濾波AC-DC變換PWM控制器輸入過欠壓保護整流濾波輸出穩壓控制輸出過流保護DC-DC變換PWM控制輸出過流保護輸出過壓保護輸入告警101.3 30W電源簡介輸出整流濾波功率變壓器MOS管輸入整流濾波輸入防浪涌電流EMI濾波PWM控制IC111.3 30W電源簡介EMI電路: 電源工作時，電源的功率開關管、變壓器處于高頻的開關狀態，電壓、電流的快

5、速跳變會產生很干擾噪音，而EMI電路主要是阻止這些干擾噪聲串入電網影響其它的電子設備，也能防止一部分電網的干擾噪音進入電源造成干擾。防浪涌電路： 開機瞬間，輸入交流經整流后給濾波電容充電，這時的充電電流非常大，容易造成整流橋、輸入保險絲的損壞，通過輸入串接電阻，防止輸入瞬間點流過大，保護整流橋、保險絲等器件。PWM控制： 由PWM控制芯片及外圍電路組成，IC自身產生固定的開關頻率，驅動功率開關管，根據輸出反饋的信號，控制功率開關管的導通和截止時間，達到使輸出穩壓的目的。功率(開關)變壓器： 根據電路的方式作用也不同，但有一點是共同的，即通過初次極的匝比變化，可以得到不同的輸出電壓。122.常用

6、電氣指標即測試方法2.1 測試儀器要求所有測試設備（計量用）應具有足夠的分辨率、準確度和穩定度，以保證誤差極限不超過規定量值的2%。測量儀器的誤差應符合GB6592。電壓表、電流表的精度不低于0.5級。測量端被測電源的源電壓輸入端與被測電源的所有輸出端為測量端。132.2 最大輸入電流指標定義：在允許的工作條件下，電源可能達到的最大輸入電流。測試條件a、電源工作電壓為其輸入電壓范圍的下限值。b、電源所帶負載為最大負載條件。測試方框圖測試方法a、先如圖布置好測試電路。b、給電源提供最低的輸入電壓并給電源帶上最大的負載，這都是在測 試條件允許情況下的。c、讀取交流或直流電流表的數值，此即為最大輸入

7、電流。被測電源A最大負載交流或直流電流表SWV供電電源A142.3 啟動沖擊電流 指標定義：即為電源在輸入開啟的瞬間在輸入線路上產生的最大瞬間電流。(由EMI電路引起的s級電流不在考慮之內)測試條件a、電源輸出滿載。b、啟動電流測試裝置（或供電電源）的輸入電壓為電源工作電壓上限值，但測試裝置的輸入電壓不應超過300Vac。c、電源應區分為熱態（電源已滿載工作5分鐘以上）與冷態（電源已停止工作10分鐘以上）。測試方框圖供電電源啟動電流測試工裝數字示波器被測電源V滿載152.3 啟動沖擊電流 測試方法針對電源輸入電壓的高低而使用不同的測試工裝，測試方框圖如上圖1、2，測試方法如下：一、電源輸入高電

8、壓（Vin75V）a、先如上圖1接好測試電路。b、先把數字示波器調到自動觸發捕獲狀態（一般：v/div：1或2V，time/div:5ms,trigger level:1V,trigger Mode: Normal ,slope: ）c、再給啟動電流測試裝置充電（K1開），充電穩定后即可給被測電源加上啟動電流（先K3開后K4開）d、示波器捕獲到信號后，把K1、K3、K4關，K2開把啟動電流測試工裝里面的電荷放掉，以免產生電擊危險。e、示波器捕獲到的尖刺峰值（如：1.5V）乘以10（15V）即為啟動沖擊電流的數值（即為15A）162.3 啟動沖擊電流 二、電源輸入低電壓（Vin75V）a、先如上

9、圖2接好測試電路。b、先把數字示波器調到自動觸發捕獲狀態（一般：v/div：1V， time/div: 5ms, trigger level:1V, trigger Mode: Normal ,slope: ）。c、合上開關K，讓電源工作，示波器即會捕獲到一上沖信號，d、用信號上沖電壓幅度（V）除以0.1即為啟動沖擊電流值。 172.4 交調測試指標定義：在相應的輸入電壓范圍內（取范圍下限、額定電壓、范圍上限三點），對各路輸出分別為小載或滿載條件進行正交后進行輸出電壓的測試。測試條件 a、輸入電壓分別為范圍下限，額定值、范圍上限。 b、負載條件為各路的小載及滿載的正交。測試方框圖測試方法a、先

10、如圖連接好測試電路，對于每一路輸出都應準備小載、滿載。如果負載調整率、穩壓精度的限值用百分比表示，則應進行額定輸入電壓下的全部半載測量。b、對于各種正交情況，應統一匯制成一張記錄表格。c、對于每一種情況都進行測試并記錄數據。d、此交調測試記錄數據作為計算輸出電壓范圍，電壓調整率、負載調整率，穩壓精度的原始數據。小載滿載滿載小載VVV可調供電電源被測電源182.5 電壓調整率指標定義：即為電源穩定輸出電壓對電源輸入電壓的變化（最小值最大值）的調整性。計算方法a、負載電流為額定值（滿載電流），源電壓為標稱值時，測出穩定輸出電壓UO（可從5.4.3測試數據中得到）。b、負載電流為額定值時，求出源電壓

11、從最小值（下限）到最大值（上限）時輸出電壓的最大值與最小值U（從4.3.4測試數據可 得）。c、電壓調整率= U-Uo 100% Uod、對于多路輸出，其它各路應與被測一路同時帶滿載。 192.6 負載調整率指標定義：即為電源穩定輸出電壓對電源負載電流的變化（小載滿載）的調整性。計算方法a、源電壓為標稱值，負載電流為額定值的一半，測出輸出電壓整定值UO。b、源電壓為標稱值，負載電流在額定值（滿載）與最小值（小載）之間變化，求出電源穩定輸出電壓的最大值與最小值U。c、負載調整率=(U-UO)/ UO 100%。d、對于多路輸出，其它各路輸出應與被測一路同時帶上小載或滿載。 202.7 穩壓精度指

12、標定義：在全輸入電壓范圍及正交負載電流條件下電源穩定輸出電壓相對于其整定值的最大偏離比例范圍。計算方法穩壓精度=（U-UO）/UO 100% U為2.6中的輸出電壓范圍上下限值。 UO為輸出電壓整定值（輸入電壓為額定值，輸出電流為一半額定電流時，測出的輸出電壓數值 212.8 輸出紋波即雜音指標定義：又稱周期與隨機偏移（PARD），即在全部影響量和控制量均保持恒定的情況下，在規定的帶寬內，直流輸出量對其平均值的周期和隨機偏移。對規定帶寬的周期與隨機偏移而言。它可以用有效值Vr.m.s與（或）峰峰值（Vp-p）表示。測量條件a、輸入電壓一般為額定值（具體依產品規格要求）。b、各路輸出一般帶上滿載

13、。c、測量端并聯一個0.1F的無極性電容和一個10F的電解電容，如產品規格無要求則在測量端并聯一個0.1F的無極性電容。測試方框圖C被測電源示波器、雜音計、選頻表純電阻負載V供電電源222.8 輸出紋波即雜音測試方法a、先如圖布置好測試電路。b、對于測試紋波應把示波器TIME/DIV調至10S左右，帶寬設為20MHz，測量到的周期偏離值即為紋波Vr.m.s。c、對于輸出雜音電壓測試，應把示波器TIME/DIV調至0.5S以便于測量其隨機偏移的峰峰值雜音電壓（VP-P），示波器帶寬設為20MHz，在電源輸出功率范圍內調節電源輸出負載，使Vp-p達到最大值。232.9 瞬態響應（開關機瞬態，負載瞬

14、態） 測試條件a、開關機過沖電源輸出各種負載組合。輸入電壓全范圍。b、負載躍遷負載電流為標稱值的25%50%25%和50%75%50%。輸入電壓在全電壓范圍內。測試方框圖供電電源被測電源電子負載數字示波器V242.9 瞬態響應（開關機瞬態，負載瞬態） 測試方法a、如圖布置好測試電路b、將數字示波器設置到正常捕獲狀態。SLOPE為。c、然后即可開啟電源，開啟瞬間，示波器即會捕捉到一過沖信號，分別在以上各種條件下開啟幾次電源，取其中最大者，此即為開機過沖幅度。d、當電源在工作時 ，關閉電源，示波器即會捕捉到輸出電壓下降信號，測量電壓在下降之前的過沖值，在各種條件下多關閉幾次電源，取其中最大者，即為

15、關機過沖幅度。e、將示波器設為自動狀態，把電子負載設為動態模式（在25%與50%額定電流之間階躍或在50%與75%額定電流之間階躍），開啟電源及電子負載，測量其瞬態過沖幅度及瞬態恢復時間（可調節電子負載的開關周期時間以獲得易于測量的波形；過沖幅度的測量需剔除毛刺部分）。252.9 瞬態響應（開關機瞬態，負載瞬態） 262.10 開機延時指標定義：即自給電源提供工作電壓到電源開始產生穩定輸出之時間即為開機延時。測試條件a、電源輸出滿載。b、電源工作電壓為額定值。測試方框圖測試方法a、如圖布置好測試電路。b、將數字示波器調節到相應的設置，開啟供電開關，即可捕捉到電源輸入電信號及輸出信號。c、從示波

16、器上測出電源剛接受輸入之時到電源剛開始產生穩定輸出量之時的間隔，即為開機延時。d、為保證測試數據的準確，測試之前必須把電源輸入電容的電荷放完。滿載被測電源供電電源數字示波器272.11 輸出電壓動態響應輸出電壓保持時間 指標定義：即在電源關斷輸入后，其穩定輸出電壓仍然維持在所規定范圍內的時間。測試條件a、輸入電壓為額定值。b、電源輸出滿載。測試方框圖測試方法將數字示波器設置到相應狀態，開啟供電開關，正常工作之后關斷供電開關，自輸入電壓開始關斷到穩定輸出電壓開始跌落出所要求的范圍之時間即為輸出電壓保持時間。 滿載數字示波器被測電源供電電源282.11 輸出電壓動態響應輸出電壓上升時間定義：電源開

17、機時輸出電壓從其10%上升到其90%所需時間即為輸出電壓上升時間。測試條件a、輸入電壓為額定值。b、電源輸出滿載。測試方框圖測試方法a、如圖布置好測試電路。b、將數字示波器設置到相應狀態，開啟供電開關，輸出電壓從10%上升到90%的時間即為輸出電壓保持時間。被測電源滿載數字示波器供電電源292.11 輸出電壓動態響應輸出電壓跌落時間 定義：電源關機時輸出電壓從其90%下降到其10%所需用時間即為輸出電壓跌落時間。測試條件a、輸入電壓為額定值。b、電源輸出滿載。測試方框圖測試方法將數字示波器設置到相應狀態，開啟供電開關，正常工作之后關斷 供電開關，輸出電壓從90%下降到10%的時間即為輸出電壓跌

18、落時間 被測電源供電電源滿載數字示波器302.12 保護電路(輸入過壓、欠壓及其恢復)定義：輸入過壓及恢復即為當電源輸入電壓高于某一值時，電源即自行關斷輸出,而當輸入電壓回落到某一值時，電源又自行恢復輸出。輸入欠壓及恢復即為當電源輸入電壓低于某一值時，電源即自行關斷輸出，而當輸入電壓調高到某一值時，電源又自行恢復輸出。測試條件a、 電源輸出為半載或按產品規格要求。測試方框圖測試方法 a、如圖布置好測試電路，如電壓可調電源為AC電源，則其正弦波形應失真小。b、在相應的負載條件下讓電源正常工作，慢慢調高供電電源的電壓，直到電源輸出關斷，此時的輸入電壓值即為輸入過壓點。c、接著慢慢往回調低輸入電壓，

19、直到電源又恢復輸出，此時的輸入電壓即為輸入過壓恢復點。d、然后調低輸入電壓直到電源關斷輸出，此時的輸入電壓即為輸入欠壓點。e、接著再往回慢慢調高電壓，直到電源恢復輸出，此時的輸入電壓即為輸入欠壓恢復點。被 測電 源負載電壓可調電源VV312.12 保護電路(輸出過壓保護)定義：即當電源的輸出電壓由于內部或外部的原因增高到某一規定范圍內的值時，電源的輸出即自行關斷或不能夠再升高。測試條件a、一般情況下，電源輸出為小載。b、電源輸入電壓為額定值。測試方框圖測試方法內調法：（在輸出電壓取樣電阻上并上電位器，具體情況應詢問產品負責人）。a、如圖1布置好測試電路。b、讓電源按相應條件工作。c、用螺絲刀調

20、節并上的電位器，使輸出電壓慢慢升高，直到電源的輸出突然關斷或限壓（不再升高），此時的輸出的電壓值即為輸出過壓點。外調法：（如果電源可以使用外調法，具體情況詢問產品負責人）。a、如圖2布置好測試電路。b、在合上開關K之前，先調節直流電源電壓約等于此路的輸出電壓。c、合上開關K，再慢慢調高直流電源的電壓直到另一路輸出關斷（如果只有被測一路則可用示波器觀察開關MOS管的VDS波形，輸出過壓之后，其VDS波形即關斷或跳躍），此時的直流電源電壓值即為輸出過壓點。 K供電電源V被測電源 取樣電阻小載V可調直流電源供電電源V被測電源小載322.12 保護電路(輸出限流) 定義：即電源在一定范圍內以適當的方式

21、限制其輸出電流的最大值。測試條件a、輸入電壓為額定值。b、其它條件依據技術要求。測試方框圖測試方法a、如圖連接好測試裝置。b、開啟電源，調節電子負載，使輸出電流慢慢增大，直至符合測試條件（如：電流不再增大或輸出電壓剛好超出下限或電源關斷輸出等）。c、此時達到條件下的輸出電流即為輸出限流值。供電電源V被測電源電子負載332.12 保護電路(輸出短路) 定義：即為電源具有輸出短路保護功能。測試方法a、先布置好測試電路。b、讓電源在要求的負載條件下工作。c、把輸出正負極短路（應在靠近輸出端子處短路，短路時間依規格要求），然后再斷開，電源應輸出正常。d、亦可先把正負極短路（要求同上），然后再開啟電源，

22、短路去除后電源應輸出正常。342.13 抗電強度定義：抗電強度，是為了符合安全要求，在電源輸入與輸出，輸入與大地，輸出與大地之間施加所要求的電壓進行絕緣性能的測試。測試條件a、電源不工作，如有防雷電路則應去掉。b、某一被測極應全部短接。測試方框圖測試方法a、如圖1把電源各被測極（輸入或輸出或大地）分別短接。b、把耐壓測試儀開啟，（輸出處于關閉）預置相應的漏電流值和90S的測試時間。c、把耐壓儀兩極的夾子分別夾住電源被測極（注意夾子夾穩，勿觸碰任何導電物體，特別是人體）。d、啟動測試鈕，慢慢提升試驗電壓，如無異常情況或超漏，一直提升到所要求的試驗電壓，然后保持一分鐘，并記錄漏電流值，即可復位測試

23、儀，把耐壓儀輸出回復到0，然后開始另一組測試，如有不合格情況（如：擊穿超漏，爬電等）應立即予以改正。e、開啟泄漏電流測試儀。f、從測試儀處提供電源工作電壓，并把電壓提高到電源輸入電壓最大值，觀察此時測試儀的泄漏電流值，即為電源的泄漏電流值。g、最后關閉測試儀。耐壓測試儀被測電源352.14 絕緣阻抗定義：絕緣阻抗是通過在被測兩極（輸入、輸出或大地）之間，施加500VDC或1000VDC 電壓計算出來的電阻值；接地電阻是在電源接地端子與接地元器件之間，通過施加一規定大小的電流來測量到的電阻值。測試條件a、電源不工作。b、接地電阻測試適用于類保護設備。c、如果被測電路的電流額定值16A，試驗電流、

24、試驗電壓和試驗時間應如下確定：試驗電流為被測電路電流額定值的1.5倍:和試驗電壓不應超過12V；和試驗時間為60S。判定：根據電壓降計算出的保護連接導體電阻不應超過0.1。d、如果被測電路的電流額定值超過16A，試驗電流和試驗時間為如下值：2倍的電路電流額定值進行2min；或對直流供電的設備由制造廠商規定。判定：保護連接導體的電壓降不應超過2.5V。362.14 絕緣阻抗測試方框圖測試方法a、如圖1連接好測試線路。b、用絕緣電阻測試儀測試電源輸入、輸出及大地三者之間的絕緣電阻值。c、如圖2連接好測試電路。d、用接地電阻測試儀測量出電源的接地電阻值。PE 絕緣電阻測試儀被 測電 源輸入輸出接地電

25、阻測試儀AV接地器件如：外殼、散熱器等被測電源圖2372.15 效率定義：即為電源把其輸入有功功率轉換為有效輸出功率的能力。測試條件a、輸入電壓一般為額定值。b、輸出滿載。測試方框圖測試方法a、先如圖布置好測試電路。b、各路輸出電壓、電流的測量，應同時進行。c、開啟所有設備，記錄輸入功率數值及各輸出電壓、電流值。d、計算出輸出功率值Po=UoIo+UoIo+。效率=(Po/Pi)100%（Pi電量測量儀上顯示的輸入功率）。 電量測量儀被測電源供電電源VA滿載382.16 功率因素及諧波定義：PF=有效功率/視在功率電源輸入電壓為正弦波, 輸入電流I2=I12+I32+In2I1為50Hz基波，

26、I3為三次諧波如果I1與輸入電壓相位差為a,則有效功率為V*I1cosaPF= I1cosa/I測試條件a、輸入電壓一般為額定值。b、輸出滿載。測試方框圖測試方法由于需要對輸入電壓和電流作快速傅立葉數學變換，所以需要用專門的功率測量儀器來測量，從而直接測量出PF和各次諧波分量電量測量儀被測電源供電電源VA滿載393. 電源可靠性 電源是在進行能量的處理，其內部器件要承受高電壓、大電流、高功率和熱量損耗，是整機中容易發生故障的一個部件，因此它的可靠性對整機可靠性有非常重要的意義。據統計顯示：引起設備不可靠的原因設計錯誤約占1/3，元器件質量約占1/3，制造、操作和維護約占1/3。其實后兩方面也與

27、設計階段的考慮不周有關。為了取得高可靠性，必須從設計階段就開始考慮可靠性的問題。 403.1 電源可靠性設計原則優選線路。電路設計中盡量多利用標準化的電路或是經過考驗可靠性高的電路，并且應盡量采用成熟的技術。電路設計遵循簡化原則。在保證設計功能和指標的前提下盡可能以最簡單的線路和最少量的元器件來實現設計，減少元器件數量的同時也要壓縮品種數可規格。從可靠性角度出發不能為了性能的少許改進而增加大量元器件，要有足夠的容差設計和最壞情況設計。也就是要考慮元器件參數的公差、漂移以及隨環境條件的變化等因素。正確選用元器件，并針對元器件工作應力合理進行降額設計。正確選用元器件的類型是首要的，這需要設計者對每種器件的類型有足夠的認識。選定類型后再進行降額設計，降額是指元器件在低于其額定值的應力條件下工作。按照元器件類型和降額曲線分別進行溫度、電壓、功率的降額設計。 提高可靠性的方法除了進行良好設計外，還可以通過實驗方法進行，其過程是不斷惡化產品的環境條件（電壓、溫度等）直至失效，就可找到最薄弱的環節，然后改進該環節，再繼續惡化環境條件，該方法是比較實用的一種方法。 413.2 電源可靠性指標及測試可靠性的衡量是失效率或是平均