1、开关电源知识交流,主要内容：,电源概述 开关电源原理介绍 使用注意事项 锂离子电池特性介绍,一 概述,电源技术是一切电设备的基础技术，其水平的高低，直接影响整体性能。形象地讲，电源犹如心脏，是电设备的供血系统，维持着全系统的正常运行。标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化等等，在同一参数的要求下，又有体积、重量、效率和可靠性等指标。对通信类设备而言，一个优秀的电源系统，必须既满足特性参数要求，又要满足特定指标的要求。,电源是一门复杂的技术学科，其涉及到电力电子、电磁学、信号采集与处理、微控制技术、电磁兼容等方面的知识。电源按变换类型来说可分为：DC-DC 变换AC-DC变
2、换AC-AC变换AC-DC-AC 变换下面通过一个实例来增强对电源的感性认识。,军用通信电台配备的智能充供电电源样机：,整机简要原理框图：,主要技术指标：,工作电压范围：90270Vac； 额定输出：150W； 输出电压：12V，24V，28V，软启动输出； 输出过流、过压、欠压、短路保护； 输入欠压过压保护； 可对军用标准的镍镉、镍氢、锂离子电池组进行智能快速充电，具有电池反接、失效、开路、过或欠充保护； 整机效率80%，整机功率因数大于0.98。,二 开关电源原理介绍,线性稳压电源的结构框图,50Hz 工频 变压器,整流滤波电路,基准电路,比较放大器,220VAC,Vo,取样电路,1. 使
3、用50Hz的工频变压器,2. 调整功率管工作在线性放大区,3. 大滤波电容,1 开关电源的组成,开关稳压电源结构框图,整流滤波电路,基准电路,比较放大器,220VAC,Vo,取样电路,脉冲调宽电路,开关脉冲,滤波电路,1. 线路结构复杂,2. 功率调整管工作在开关状态,3. 滤波电容小,开关电源与线性电源的比较,开关电源：,开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。 开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。 开关电源经过几十年的发展，集中了许多高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智
4、能化技术、表面安装技术，已经形成高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性等为特征的现代直流开关电源。,2 开关电源的特点,开关稳压电源的发展微小型化，高功率密度。,直流开关电源追求轻薄短小，是它在市场发展中的热门话题 。表示它的指标是功率密度，目前希望能达到每立方英寸100W/IN3以上。 提高工作频率 ：现在最高的工作频率已达到2530MHZ。12MHZ在小型直流开关电源中已比较普遍。 （准谐振式或谐振式电源） 变压器结构 ：立体变压器(普通变压器)，平面变压器 ，片式变压器 ，薄膜变压器,开关稳压电源的发展高效率,直流开关电源要求效率高的主要原因是节能和环保，也就是从“绿色电源”概念提出来
5、的。因为节能后，由于直流开关电源量大面广，可以显著减少所需的电能，也就减少发电厂数量，减少发电厂排放的废气废水和灰潭对环境的污染。现在要求100W以下的小功率直流开关电源效率超过85%。中大功率直流开关电源效率超过90%。,开关稳压电源的发展低电压，大电流,为了提高性能，许多最新一代的ASIC和FPGA器件采用了比前一代器件速度更快、密度更高的内核处理器，并采用了更低的工作电压（3.3 V ）。伴随更低的工作电压而来的是更大的工作电流，几年前的低电压供电需求的是5V、数百mA的电源，而今天的高端器件则可能需要电源能够提供低至0.8V的电压和高达30A的电流。,主电路,EMC 防浪涌冲击 保险电
6、路,输入过压、欠压保护电路,软启动电路,输出过压、欠压、过流、短路保护电路,告警、监控电路,输出均流电路,辅助电源,PFC电路,3 开关电源的工作原理,通信开关电源的主要功能框图,功率因数校正电路（PFC）,传统的开关电源存在一个致命的弱点：功率因数低，一般为0.450.75，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基波幅度的95，五次谐波幅度约为基波幅度的70，七次谐波幅度约为基波幅度的45。高次谐波对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数下降。,一般的开关电源，先对输入的220V交流市电整流，然后经过滤波电容得到约300V的直流电，再进行DC/DC变换。滤波电容使输出电压平滑
7、，但却使电流变为不连续的脉冲，因此这样的电源功率因数低，谐波多，对电网的污染大，输入端的微小波动都有可能在输出端引起较大的干扰。,APFC技术：,有源功率因数校正（APFC）利用有源开关式AC/DC变换技术，采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制(如图13所示)。使输入电流成为与电网电压同相位的正弦波。这种方法对技术要求较高，但功率因数校正效果好，在理论上可将功率因数校正到0.99以上，故在大容量的通信开关电源系统中使用较普遍。,加入APFC电路后输入端的电流波形：,PWM 驱动电路,输出电压检测,基准电路,比较 放大,220VAC,开关电源的主电路,开关电源的主电路,输入滤波
8、器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。,控制电路：,一方面，从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定。 另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。,检测电路：,实时电路状态数据采集。,给设备本身提供供电电压。,辅助电源电路：,稳压原理：,开通
9、时间：开关晶体管每次接通的时间，用Ton表示。关断时间：开关晶体管每次断开的时间，用Toff表示。开关周期：开关晶体管开关通断的工作周期（即开通时间Ton和关断时间Toff之和），用T表示。开关频率：F=1/T,稳压原理,开关晶体管以一定的开关周期重复地开通和断开。 在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。,稳压原理,图中，由电感L、电容C和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以
10、储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。 在AB间的电压平均值VAB可用下式表示： VAB=VIN*Ton/T 由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变。因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。,Vg,A,B,C,L,D,稳压原理,改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（Time Ratio Control,缩写为TRC）。按TRC控制原理，有三种方式： 一、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,
11、缩写为PWM）：开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 二、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM）：导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 三、混合调制：导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。,按供电结构区分：,集中式结构：由一个集中的电源变换器产生所需各种电压等级的输出电压，由于它成本低廉，至今仍是应用最广泛的一种形式。 分布式结构(DPA) ：它采用48V的电压直流总线，将电能送至负荷旁，然后通过独立的隔离DC/DC模块分别给各负荷供电。分布式结构由于所采用的DC/DC模块
12、均需要隔离，构成的电源系统的成本较高。于是，出现了中间总线结构的电源产品。 中间总线结构(IBA) ：中间总线结构有两级构成，首先通过隔离DC/DC变换器将48V变换成中间的电压，采用中间的电压总线，如图中的12V电压总线，将电能送至负荷旁，然后通过第二级非隔离DC/DC模块给负荷供电。,4 开关电源的类型,按输入与输出是否隔离区分：,非隔离型输入地与输出地相通。升压式（Boost）降压式（Buck）升、降压式（Boost-Buck）隔离型输入部分与输出部分通过变压器耦合。正激式（Ford-work）-正向激励反激式（Fly-back）-反向激励推挽式（Push-pull）半桥式（Half-b
13、ridge）全桥式（Full-bridge）,Vg,升压式：,开关管周期性地开和关，开关周期为T=ton + toff。 在开通期间，Vi = L*I / Ton 在关闭期间， Vo - Vi = L*I / Toff 把两式相除，整理得Vo = Vi * T / Toff 由于Toff T ，即 Vo Vi，故称为升压式。,Vg,降压式：,开关管周期性地开和关，开关周期为T=ton + toff。 在开通期间，Vi-Vo = L*I / Ton 在关闭期间，Vo = L*I / Toff 把两式相除，整理得Vo = Vi * Ton / T 由于Ton T ，即 Vo Vi，故称为降压式。,
14、Vg,正激式：,开关管周期性地开和关，开关周期为T=ton + toff。 在开通期间，输入电流流经变压器并在初级绕组上感应出电压，通过变压器的磁耦合作用，在变压器的次级绕组上感应出电压。从而提供负载电流以及向储能电感储存能量。 在关闭期间，储能电感释放能量，通过续流二极管提供负载电流。,双管正激电路实例,Vg,反激式：,开关管周期性地开和关，开关周期为T=ton + toff。 在开通期间，输入电流流经变压器并在初级绕组储存能量；输出储能电容提供负载电流。 在关闭期间，通过变压器的磁耦合作用，变压器的次级绕组释放能量，提供负载电流。,反激式电路实例：,Vg1,推挽式：,开关管周期性地开和关，
15、开关周期为T=ton + toff。Vg1和Vg2反相。 在Vg1开通期间，Vg2关闭。由变压器同名端的关系，次级感应电压经D2提供负载电流。 在Vg2开通期间，Vg1关闭。由变压器同名端的关系，次级感应电压经D1提供负载电流。,Vg2,D1,D2,Vg3,全桥式：,Vg4,Vg2,Vg1,D2,D1,开关管周期性地开和关，开关周期为T=ton + toff。Vg1和Vg3，Vg2和Vg3分别同时开和关。Vg1，4和Vg2，3反相。 在Vg1和Vg4开通期间，Vg2和Vg3关闭。由变压器同名端的关系，次级感应电压经D1提供负载电流。 在Vg2和Vg3开通期间，Vg2和Vg3关闭。由变压器同名端
16、的关系，次级感应电压经D2提供负载电流。,各种隔离性DC/DC变换电路的比较：,环境要求电气特性保护功能电池管理特性,监控告警要求安规与EMC可靠性结构要求,5 电源的测试指标及定义,电气特性：,输入部分：输入电压，输入电流，功率因数，输入频率。输出部分：输出电压，输出电流，输出效率，纹波与噪声，输出调整率，输出电压波形，输出动态特性，其他。,平均值-交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷与该段时间的比值。正弦量的平均值通常指正半周内的平均值，它与振幅值的关系：平均值=0.637*振幅值。 有效值-在两个相同的电阻器件中，分别通过直流电和交流电，如果经过同一时间，它们发出的热量相等，
17、那么就把此直流电的大小作为此交流电的有效值。正弦电流的有效值等于其最大值的0.707倍。,有功功率-又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母P表示，单位瓦特。 视在功率-在具有电阻和电抗的电路内，电压与电流的乘积叫做视在功率，用字母Ps来表示，单位为瓦特。,无功功率-在具有电感和电容的电路里，这些储能元件在半周期的时间里把电源能量变成磁场（或电场）的能量存起来，在另半周期的时间里对已存的磁场（或电场）能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的速率的振幅值叫做无功功率
18、。用字母Q表示，单位为芝。,功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。,功率因数：,可见功率因数（PF）由电流失真系数（）和基波电压、基波电流相移因数（cos）决定。 cos低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大； 值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染。 传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了PF = cos 。,在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。在测试交流电
19、路的输入功率时，一般使用功率表。,输出调整率：,源调整率：输入电压在全范围变动时，输出电压的变化幅值与输出额定电压的比值。负载调整率：输出负载在全范围变动时，输出电压的变化幅值与输出额定电压的比值。（受电源内部闭环控制方式影响）,输出动态特性：,在输出负载的快速转换过程中，电源的输出电压的变化特性。它表征了电源工作的稳定性以及响应特性。过冲恢复时间,保护功能：,输入部分：输入过压，输入欠压。输出部分：输出过压，输出欠压，输出过流，输出短路。其他：过温。,电池管理：,充电电压最大充电电流保护机制充电方式：恒流、恒压、涓流、浮充,监控与告警：,输入在线信号（IN OK）输出在线信号（OUT OK）
20、,安规与EMC：,抗电强度 绝缘电阻 接地电阻 接触电流 浪涌冲击 传导干扰 辐射干扰,对人体的保护；对电源的保护；对外部设备的保护。,传导抗扰 辐射抗扰 接触放电 空气放电 快速瞬变脉冲群 电压跌落（DIP） 谐波发射 波动和闪烁发射。,可靠性：,高低温工作 高温老化 振动和冲击,结构要求：,外形与安装尺寸 输入与输出端子 标签等,纹波与噪声：,测试仪器：数字存贮示波器。测试点：示波器探头上的探针与地以最短的连接方法接到陶瓷电容与样机输出正极与负极的交点 。,电源的交流纹波：,输出电压波形：,t,t,Vin,Vout,延迟时间,上升时间,输出电压过冲,保持时间,输出电压过冲,输出电压动态特性
21、：,t,t,Iout,Vout,恢复时间,恢复时间,电压过冲,电压过冲,三 使用注意事项,1 使用环境海拔高度（爬电距离）、环境温度与湿度、电源电压及频率的变化范围、负载特性、机械结构、散热特性 2 电源指标的测试输入输出特性、各种保护机制、EMC、安规 3 负载电路各种滤波元件的选取1） 主要滤波元件电解电容：耐压、容量、类型无极性电容：耐压、容量、类型,磁 环：磁材的选取、绕线方式电 感：额定电流、电感值磁 珠：功率要求，一般用于抑制射频干扰 2）滤波元件的安放位置 3）考虑因数：干扰类型，干扰频谱，干扰源，干扰途径 4）滤波参数选择不合适： 可能恶化电源系统的性能； 强化系统干扰。,4
22、简单二次电源的设计 设计类型电荷泵型、线性稳压、非隔离型DC-DC变换 电路拓扑结构的选择对开关电源：buck，boost等 控制芯片的选择电路的设计有时可借助设计软件来进行。,四 锂离子电池特性,电池的主要参数： 容量：电池的容量通常用Ah（安时）表示。单体电池内活性物质的数量决定电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，其容量也就越高。与电池容量相关的一个常数是充电电流，用充电速率C表示。,标称电压：是指电池刚刚出厂时正负极之间的电势差。标称电压和外界环境温度、工作状态和电池的剩余量有一定的关系。 内阻：电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在
23、充电和放电过程中，极板的电阻是不变的，但是离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化，引起电池内阻的变化。,放电终止电压：是指电池放电时容许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后，电池仍继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这时，极板上形成的一些化学物质在正常充电的时候就不会再恢复，从而影响电池的使用寿命。 充电终止电压：充电电池充足电时，极板上的活性物质已经达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。单体镍镉电池的充电终止电压为1.751.80V；单体镍氢电池的充电终止电压为1.5V；单体锂离子电池的充电终止电压为4.2V。,使用注意：不能过放；不能短路；充电不能过压；不能过充。,锂离子电池充电特性,充电的四个阶段：预充电恒流充电恒压充电维护性充电,谢谢大家！,
