電源基礎知識介紹電源和通用芯片技術組內容提要簡介開關電源的原理開關電源技術發展趨勢電源基本指標測試簡介廣義上來講，目前任何一個電子設備都需要一個直流電源來供電這個直流電源可以是電池或是一個電源（PowerSupply）；大多數電源需要一個經過輸入輸出濾波的，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。簡介電源分類：1、電源按能量變換方向區分有以下四類：

AC/DC電源power；

DC/DC變換器converter；

DC/AC逆變器inverter；

AC/ACUPS/變頻器transducer；以上四類在通信系統中都有應用，其中AC/DC電源與DC/DC變換器是應用最廣的電源。簡介2、按應用環境區分：通信電源、工業電源、軍用電源、民用電源3、按結構和功能區分：一次電源模塊、二次電源模塊、電源系統4、按設計原理區分：傳統的線性電源（包括單板內使用的電壓調整器，利用開關管線性穩壓）、現代開關電源（高頻DC/DC變換器）簡介目前在我司數通產品上應用的電源主要是AC/DC和DC/DC電源。不同點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輸出為直流的電源；相同點輸出電壓都是經過精密調整的直流電壓；采用的電壓變換技術基本都是PWM技術；都可以根據客戶的需求，提供原副邊的高頻隔離等；簡介線性電源開關電源DC/DC變換器開關電源的技術發展趨勢線性電源1.線性電源的一般定義利用功率三極管或MOSFET放大區工作特性，和反饋網絡控制其導通特性并依賴自身的損耗，保持輸出電壓穩定的轉換裝置。主要包括如下幾個功能單元：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換為另一種合適的直流電壓；調整：實現在輸入電壓變化、負載變化以及溫度變化時，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；線性電源2):理想電源的特征

----穩定的電壓輸出，（與輸入，負載，溫度及時間等的變化無關）；

----零輸出阻抗（對任何頻率）；

----100%的變換效率；

----純凈的直流輸出波形（無噪音及紋波）等....線性電源雖然有很好的調整率，但實際上，輸出電壓是隨著輸入電壓、輸出負載、工作溫度的變化等變化的；這些變化量是可以測量的，如：負載調整率，源調整率，溫度變化率等；3、實際電源的特性線性電源4):線性電源的結構框圖線性電源開關管功率損耗：Iox（Vg-Vo）輸入功率：Pin=VgxIo5.典型的線性電源電路線性電源6、線性電源的優點與缺點

優點:---實現簡單、小功率變換成本低廉

---低輸出紋波與噪音

---極好的電壓與負載調整率

---快速響應時間

---無高頻開關紋波EMI

缺點:---功率密度不高，大功率體積大

---低效率

---消耗鋼材

---保持時間短、控制特性不好線性電源7、線性電源典型應用AC/DC電源 桌面辦公小功率終端設備（Adapter,10w-20w）：電話、MODEM、隨身聽、ISDN話機。。。DC/DC線性變換 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，壓降滿足0.5V以上即可以輸出穩定電壓。 利用線性變換降低開關電源的紋波，給紋波敏感電路（例如敏感模擬電路）供電，抑制開關紋波的干擾。線性電源8、線性電壓調整器的設計考慮因素：壓差輸出電流損耗功率輸入電壓范圍線性電源9、線性電壓調整器的設計實例開關電源開關電源定義：利用功率半導體器件使變壓器工作在高頻開關狀態（飽和導通或截止），利用L、C儲能并通過PWM控制獲得需要的電壓的裝置。1、開關電源的缺點與優點優點:---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:---高噪音及EMI;---慢響應時間;---較差的調整率,etc.開關電源2、開關電源與線性電源的優缺點比較內容電源優點缺點線性電源電路簡單體積大、重量大輸出紋波和噪聲小效率低源調整率和負載調整率高功率密度低動態響應速度快開關電源效率高EMI和紋波噪聲大功率密度高動態響應速度相對較慢輸入電壓范圍和負載范圍寬調整率較低電源的功能多開關電源3、開關電源和線性電源的典型指標比較指標線性電源開關電源源調整率(%)0.02~0.050.05~0.1負載調整率(%)0.02~0.10.1~1.0輸出紋波(mV)0.5~2.0mVrms25~150mVp-p輸入電壓范圍(%)±10±50效率(%)40~6060~80(92)功率密度(W/in3)0.52.3(100)動態響應恢復時間(us)0.5100~300保持時間(ms)232開關電源4、開關電源的基本結構開關電源5、DC/DC變換器原理框圖開關電源6、常用隔離DC/DC變換器拓撲及工作原理介紹反激變換器適用與小功率應用場合，拓撲結構簡單；噪聲較大；控制性能較難優化；開關電源反激式工作波形波形開關電源單端正激變換：適用與中大功率應用場合；噪聲小，控制性能容易優化；被廣泛應用；類型：諧振復位；三繞組復位；有源復位等開關電源正激式工作波形波形開關電源非隔離的DC/DC變換器基本的無隔離變換器拓樸

Buck變換器

Boost變換器

Buck/boost變換器

Basi

Cuk

變換器

Cuk

變換器

Sepic變換器

Zeta變換器開關電源

Buck（降壓）變換開關電源

Buck電路的特點：

1)Vo是Vs在Ts內的平均值，因此Vo總比Vs小。變換器可以看作是低通電壓斬波器。

2)輸入電流是脈動的，紋波大；輸出電流是連續的，紋波小。

3)應該避免工作在斷續狀態，以防止開關管承受過高電壓，及續流二極管承受過大電流。開關電源Boost升壓變換器開關電源

Boost電路的特點1）輸入電流紋波小，輸出電流紋波大。開關管、二極管的電流總是脈動的。過大的電壓、電流應力容易損壞器件。2）連續方式下，紋波電流隨電感的增大而變小。3）在BOOST電路中，不能空載，否則輸出電壓很高，有可能損傷電路中器件。開關電源Buckboost變換器開關電源

Buck-Boost電路的特點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的，在應用時需要加濾波器，以減少電磁干擾，電路較復雜。4）由于大電流脈動，所以需要考慮開關管的電壓應力和二極管的電流應力。開關電源7、AC/DC開關電源實例開關電源AC/DC開關電源實例(續)上面電路是一個典型的反激變換器，具有輸入電壓范圍寬（92V-270V）、體積小、電路簡單的優點；主要用于筆記本電腦、手機充電器、以及其他小功率設備。開關電源8、DC/DC開關電源實例開關電源DC/DC開關電源實例（續）控制功能端CNT（又名ON/OFF、Remote、Enable）：通過對CNT端高低電平的控制，實現模塊輸出有效的使能。分正邏輯和負邏輯，分別對應高、低電平使模塊輸出有效；輸出調整功能(TRM)：模塊通常允許±10％的輸出電壓調整，通過改變輸出電壓反饋回路中分壓比，實現輸出電壓的微調。通過TRIM端并聯電阻，來改變反饋回路的分壓值。根據調節誤差放大器輸入電壓采樣值或參考電壓值的不同方式，可分為正邏輯和負邏輯兩種模式。輸出線路壓降補償（Sense）：電源的輸出電壓反饋采樣一般都設計在輸出Pin上。在用戶板上當負載線較長，負載電流大時，導線上的壓降不可避免。為保證負載電壓為設定值，業界將采樣端從輸出Pin移到負載端的SensePin。設計中通過Vout與Sense間接一小電阻，作為線路壓降的分壓。以保證Sense端電壓近似于負載端電壓。Rs相對于R1、R2小很多，通常Rs取10Ω。缺陷是當Vout接觸不良時，負載電流流經Rs，容易燒壞電阻Rs。開關電源9、非隔離DC/DC開關電源實例BUCK型開關電源開關電源非隔離DC/DC開關電源實例（續）上面是一個我司單板最常用的一個BUCK降壓電路，控制器是TPS40071。Q2是同步整流開關管，對應于前面提到的BUCK拓撲電路的二極管D。開關電源10、開關電源其它常用功能介紹原邊CNT（ON/OFF）功能提供控制模塊關斷的邏輯功能原邊過溫保護（OTP）保護模塊工作于一定的溫度范圍內，自身保護的一種原邊欠壓保護（UVP）自我保護的一種，同時也是保證系統正常工作的一種電路原邊限流保護（OCP）模塊自身的保護，保護在副邊電路發生故障時，不使故障擴大副邊過壓保護（OVP）保護用戶電路在模塊發生故障時不會損壞副邊電壓調整功能（TRIM端）根據客戶的需要適當調高/降低模塊的輸出電壓副邊輸出電壓補償功能（SENSE）補償用戶端線路壓降，保證用戶電路端的電壓滿足要求開關電源11、開關電源的特征總結---效率和尺寸 高頻隔離、高開關頻率→高功率密度---開關模式運行 高的di/dt和dv/dt，電路中的雜散參數， 二極管的反向恢復等→高的輻射干擾，傳導干擾---開關干擾 傳導干擾：通過輸入輸出濾波器降低； 輻射干擾：通過金屬殼的屏蔽、PCB的布板等來解決；開關電源12、主要封裝對應尺寸：(mm)1/4磚：57.9×36.8×12.7

半磚：61.0×57.9×12.73/4磚：87.6×61.0×12.7全磚：116.8×61.0×14.0開關電源13、電源模塊應用主要參數：輸入電壓范圍：48V36V~72V24V18V~36V

輸出電壓范圍：額定±1％輸出額定電流：應用中超過該額定值，輸出電壓跌落，通常模塊設計中會有一定的裕度。輸出額定功率：該指標與輸出電流相對應，在單板設計中，模塊功率降額通常為80%。輸出效率：同功率模塊，效率越低，發熱越嚴重。輸出紋波：≤50mV

負載調整率：±0.5%

電壓調整率：±0.2%電源技術的發展趨勢1、輸入功率因數校正技術減少電力電子設備對電網的污染

IEC-1000-3-2標準主電路方案：

---無源波形矯正技術

---有源波形矯正技術兩級：BoostPFC前置級+DC/DC;

一級：包含一級PFC與DC/DC電源技術的發展趨勢2、低電壓高功率密度DC/DC變換技術無負載快速瞬態響應特性要求用于電信的DC/DC模塊48V或24V輸入

5V、3.3V、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磚電源技術的發展趨勢3、低電壓高功率密度DC/DC變換技術

有快速負載瞬態響應要求，以超高速CPUdc/dc電源為代表的VRM（電壓調節器模塊）二類：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;

負載:0Ato70A;

變化率:30A/us(present)to150A/us(future)

高的輸出調節特性電源基本指標測試1、輸出電壓精度在額定輸入電壓和額定負載下，輸出電壓用電壓表測量，測量值與正常的額定值之間有一定的差別、這個差值用百分比來計算就是輸出電壓精度。Vo：由高精度的并進過校正的直流電壓表所測得的輸出直流電壓；Vo(nominal)：規定的標稱輸入電壓.accuracy：精度電源基本指標測試2、輸入調整率（源效應）額定的負載條件下，輸入電壓在規定的范圍內變化時、被測電源的輸出端亦發生相應的微小變化。這個輸出電壓隨輸入電壓變化的百分比稱為輸入調整率。電源基本指標測試3、負載調整率（負載效應） 在額定輸入電壓條件下，空載或最小負載下的輸出電壓和滿載輸出電壓的差值與額定負載下輸出電壓的百分比。它表征了負載變化對電源輸出電壓的影響程度。這種變化用百分比表示如下：Vo:額定負載下測得的輸出電壓Vo1:在無負載情況下及最小負載下測得的輸出電壓注:許多開關