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              1. 電源的分類

                電源的分類


                1、AC/DC與DC/DC

                AC/DC是開關電源的其中一類。該類電源也稱一次電源——AC是交流,DC是直流,它,經過高壓整流濾波得到一個直流高壓,供DC/DC變換器在輸出端獲得一個或幾個穩定的直流電壓,功率從幾瓦-幾千瓦均有產品,用于不同場合。


                AC/DC電源管理芯片變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。

                AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化。

                DC/DC電源指直流轉換為直流的電源,從這個定義上看,廣義的DCDC表示只要是直流轉直流都叫DCDC,LDO(低壓差線性穩壓器)芯片也應該屬于DC/DC電源。但是約定俗成的定義是:一般只將直流變換到直流,且這種轉換方式是通過開關方式實現的電源稱為DC/DC電源。


                2、線性電源  與 開關電源

                線性電源的調整管工作在放大狀態,因而發熱量大,效率低(與壓降多少有關),需要加體積龐大的散熱片。實現AC/DC時,還需要同樣也是大體積的工頻變壓器,當要制作多組電壓輸出時變壓器會更龐大。

                開關電源的調整管工作在飽和和截至狀態,因而發熱量小,效率高。AC/DC電源省掉了大體積的變壓器。但開關電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波(50mVat5Voutputtypical),在輸出端并接穩壓二極管可以改善,另外由于開關管工作時會產生很大的尖峰脈沖干擾,也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對而言線性電源就沒有以上缺陷,它的紋波可以做的很小(5mV以下)。

                開關電源通過不同的拓撲結構可以實現,降壓、升壓、升降壓。而線性電源只能實現降壓。


                3、普通電源   與  特種電源

                電源分為普通電源和特種電源兩類。

                普通電源

                又可細分為:PC電源、整流電源、定制電源、加熱電源、焊接電源/電弧電源、電鍍電源、開關電源、逆變電源、交流穩壓電源、直流穩壓電源、DC/DC電源、通信電源、模塊電源、變頻電源、UPS電源、EPS應急電源、凈化電源、網絡電源、電力操作電源、適配器電源、線性電源、電源控制器/驅動器、功率電源、其他普通電源、逆變電源、參數電源、調壓電源、變壓器電源。

                特種電源

                特種電源又可細分為:岸電電源、安防電源、高壓電源、醫療電源、軍用電源、航空航天電源、激光電源、其他特種電源。

                特種電源即特殊種類的電源。所謂特殊主要是由于衡量電源的技術指標要求不同于常用的電源,其主要是輸出電壓特別高,輸出電流特別大,或者對穩定度、動態響應及紋波要求特別高,或者要求電源輸出的電壓或電流是脈沖或其它一些要求。


                4、隔離電源  與 非隔離電源

                在給嵌入式系統設計電源電路,或選用成品電源模塊時,要考慮的重要問題之一就是用隔離還是非隔離的電源方案。在進行討論之前,我們先了解下隔離與非隔離的概念,及兩者的主要特點。

                電源隔離與非隔離的概念

                電源的隔離與非隔離,主要是針對開關電源而言,業內比較通用的看法是:

                1、隔離電源:電源的輸入回路和輸出回路之間沒有直接的電氣連接,輸入和輸出之間是絕緣的高阻態,沒有電流回路。

                2、非隔離電源:輸入和輸出之間有直接的電流回路,例如,輸入和輸出之間是共地的。


                隔離電源示意圖如圖所示。


                隔離電源與非隔離電源的優缺點

                由上述概念可知,對于常用的電源拓撲而言,非隔離電源主要有:Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔離電源主要有各種帶隔離變壓器的反激、正激、半橋、LLC等拓撲。

                結合常用的隔離與非隔離電源,我們從直觀上就可得出它們的一些優缺點,兩者的優缺點幾乎是相反的。


                使用隔離或非隔離的電源,需了解實際項目對電源的需求是怎樣的,但在此之前,可了解下隔離和非隔離電源的主要差別:
                1、隔離模塊的可靠性高,但成本高,效率差點。
                2、非隔離模塊的結構很簡單,成本低,效率高,安全性能差。
                因此,在如下幾個場合,建議用隔離電源:
                1、涉及可能觸電的場合,如從電網取電,轉成低壓直流的場合,需用隔離的AC-DC電源;
                2、串行通信總線通過RS-232、RS-485和控制器局域網(CAN)等物理網絡傳送數據,這些相互連接的系統每個都配備有自己的電源,而且各系統之間往往間隔較遠,因此,我們通常需要隔離電源進行電氣隔離來確保系統的物理安全,且通過隔離切斷接地回路,來保護系統免受瞬態高電壓沖擊,同時減少信號失真;
                 3、對外的I/O端口,為保證系統的可靠運行,也建議對I/O端口做電源隔離。


                隔離與非隔離電源的應用場合

                通過了解隔離與非隔離電源的優缺點可知,它們各有優勢,對于一些常用的嵌入式供電選擇,我們已可做成準確的判斷:

                a、 系統前級的電源,為提高抗干擾性能,保證可靠性,一般用隔離電源。

                b、 電路板內的IC或部分電路供電,從性價比和體積出發,優先選用非隔離的方案。

                c、 對安全有要求的場合,如需接市電的AC-DC,或醫療用的電源,為保證人身的安全,必須用隔離電源,有些場合還必須用加強隔離的電源。

                d、 對于遠程工業通信的供電,為有效降低地電勢差和導線耦合干擾的影響,一般用隔離電源為每個通信節點單獨供電。

                e、 對于采用電池供電,對續航力要求嚴苛的場合,采用非隔離供電。



                隔離電源與非隔離電源優缺點

                5、PWM 和PFM 



                ①脈沖寬度調制(PWM)

                脈寬寬度調制式(PWM)開關型穩壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下,通過電壓反饋調整其占空比,從而達到穩定輸出電壓的目的。

                ②脈沖頻率調制(PFM)

                脈沖頻率調制(PFM)調制信號的頻率隨輸入信號幅值而變化,其占空比不變。由于調制信號通常為頻率變化的方波信號,因此,PFM也叫做方波FM。

                ③脈沖寬度頻率調制(PWM-PFM)


                每種類型的性能特征是不一樣的

                1、 重負載和輕負載時的效率

                2、負載調節

                3、設計復雜性

                4、EMI / 噪聲考慮


                集成型轉換器解決方案可整合這兩種操作模式以利用它們各自的優勢


                ①PWM是頻率的寬和窄的變化,PFM是頻率的有和無的變化。

                ②PWM是利用脈沖寬度控制輸出,PFM是利用脈沖的有無控制輸出。

                ③PWM-PFM兼有PWM和PFM的優點。

                開關電源控制技術特點及比較

                DC/DC變換器是通過與內部頻率同步開關進行升壓或降壓,通過變化開關次數進行控制,從而得到與設定電壓相同的輸出電壓。

                ①PFM控制時,當輸出電壓達到在設定電壓以上時即會停止開關,在下降到設定電壓前,DC/DC變換器不會進行任何操作。但當輸出電壓下降到設定電壓以下,DC/DC變換器會再次開始開關,使輸出電壓達到設定電壓。

                ②PWM控制也是與頻率同步進行開關,但是它會在達到升壓設定值時,盡量減少流入線圈的電流,調整升壓使其與設定電壓保持一致。

                ③PWM/PFM切換控制DC/DC變換器在重負荷時由PWM控制,低負荷時自動切換到PFM控制,即在一款產品中同時具備PWM的優點與PFM的優點。在備有待機模式的系統中,采用PFM/PWM切換控制的產品能得到較高效率。

                ④與PWM相比,PFM的輸出電流小,因為PFM控制的DC/DC變換器在達到設定電壓以上時就會停止動作,所以消耗的電流就會變得很小。因此,消耗電流的減少可改進低負荷時的效率。

                ⑤PWM在低負荷時雖然效率較遜色,但是因其紋波電壓小,且開關頻率固定,所以噪聲濾波器設計比較容易,消除噪聲也較簡單。


                PWM


                PFM


                電源紋波  PWM    VS     PFM



                開關電源控制技術優缺點

                PFM相比較PWM主要優點在于效率:

                ①對于外圍電路一樣的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM與PWM相當。但在峰值效率以前,PFM的效率遠遠高于PWM的效率,這是PFM的主要優勢。

                ②PWM由于誤差放大器的影響,回路增益及響應速度受到限制,PFM具有較快的響應速度。

                PFM相比較PWM主要缺點在于濾波困難:

                ①濾波困難(諧波頻譜太寬)。

                ②峰值效率以前,PFM的頻率低于PWM的頻率,會造成輸出紋波比PWM偏大。

                ③PFM控制相比PWM控制 IC 價格要貴。

                ④PWM控制方法實現起來容易,PFM控制方法實現起來不太容易。


                6、電荷泵

                電荷泵,也稱為開關電容式電壓變換器,是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC(變換器)。

                主要應用包括驅動用于手機背光的白光LED和毫瓦范圍的數字處理器。

                電荷泵(開關電容)IC通過利用一個開關網絡給兩個或兩個以上的電容供電或斷電來進行DC/DC電壓轉換。基本電荷泵開關網絡不斷在給電容器供電和斷電這兩個狀態之間切換。C1(充電電容)傳輸電荷,而C2(充電電容器)則儲存電荷并過濾輸出電壓。


                額外的“快速電容”和開關陣列帶來多種好處。

                電荷泵IC可以用作逆變器、分路器或者增壓器。逆變器將輸入電壓轉變成一個負輸出。作為分路器使用時,輸出電壓是輸出電壓的一部分,例如1/2或2/3。作為增壓器時,它可以給I/O帶來一個1.5X或者2X的增益。很多便攜式系統都是用一個單鋰離子電池或者兩個金屬氫化物鎳電池。因此當在2X模式下運行時,電荷泵可以給一般在3.3V到4.0V的范圍內工作的白光LED供應適當的正向電壓。

                基本電荷泵缺少調整電路,因此實際上所有當今使用的電荷泵IC都增加線性調整或者電荷泵調制。線性調整的輸出噪音最低,并可以在更低的效率情況下提供更好的性能。而由于調整IC沒有串聯傳輸晶體管,控制開關電阻的電荷泵調制就可以提供更高的效率,并為一個給定的芯片面積(或消耗)提供更多的輸出電流。

                電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場和電磁干擾。但是,仍然有一個可能的微小噪音源,那就是當快速電容和一個輸入源或者另外一個帶不同電壓的電容器相連時,流向它的高充電電流。同樣的,“分路器”電荷泵也能在LDO上改進效率,但又不會像感應降壓調整器那樣復雜。


                7、正激 與 反激

                反激式:反激式開關電源是指使用反激高頻變壓器隔離輸入輸出回路的開關電源。“反激”指的是在開關管接通的情況下,當輸入為高電平時輸出線路中串聯的電感為放電狀態;相反,在開關管斷開的情況下,當輸入為高電平時輸出線路中的串聯的電感為充電狀態。



                工作原理: 
                變壓器的一次和二次繞組的極性相反,這大概也是Flyback名字的由來: 
                a.當開關管導通時,變壓器原邊電感電流開始上升,此時由于次級同名端的關系,輸出二極管截止,變壓器儲存能量,負載由輸出電容提供能量。 
                b.當開關管截止時,變壓器原邊電感感應電壓反向,此時輸出二極管導通,變壓器中的能量經由輸出二極管向負載供電,同時對電容充電,補充剛剛損失的能量。 


                反激電路的演變: 
                可以看作是隔離的Buck/Boost電路: 


                在反激電路中,輸出變壓器T除了實現電隔離和電壓匹配之外,還有儲存能量的作用,前者是變壓器的屬性,后者是電感的屬性,因此有人稱其為電感變壓器,有時我也叫他異步電感。 


                正激電源

                正激式變壓器開關電源輸出電壓的瞬態控制特性和輸出電壓負載特性,相對來說比較好,因此,工作比較穩定,輸出電壓不容易產生抖動,在一些對輸出電壓參數要求比較高的場合,經常使用。


                所謂正激式變壓器開關電源,是指當變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時,變壓器的次級線圈正好有功率輸出。



                  單端正激式:


                  雙管正激式:


                  反激的變壓器可以看作一個帶變壓功能的電感,是一個buck-boost電路。正激的變壓器是只有變壓功能,整體可以看成一個帶變壓器的buck電路。二次側接第一個整流二極管的負端接電解電容的是反擊,接電感的是正激。

                  總地來說,正激反激工作原理不同,正激是初級工作次級也工作,次級不工作有續流電感續流,一般是CCM模式。功率因數一般不高,而且輸入輸出和變比占空比成比例。反激是初級工作,次級不工作,兩邊獨立開來,一般DCM模式下,理論上是單位功率因數,但是變壓器的電感會比較小,而且需要加氣隙,所以一般適合中小功率情況.一般的電源書都會有具體的介紹和設計公式。

                  正激變壓器是理想的,不儲能,但是由于勵磁電感(Lp)是有限值,勵磁電流使得磁芯B會大,為避免磁通飽和,變壓需要輔助繞組進行磁通復位;反激變壓器工作形式可以看做耦合電感;電感先儲能,再放能。由于反激變壓器的輸入、輸出電壓極性相反,固當開關管斷開之后,次級可以提供磁芯一個復位電壓,因而反激變壓器不需額外增加磁通復位繞組。


                  主要區別

                  正激反激主要區別在高頻變壓器的工作方式不同但他們在同一象限上。正激是當變壓器原邊開關管導通時同時能量被傳遞到負載上,當開關管截止時變壓器的能量要通過磁復位電路去磁。反激是和正激相反,當原邊開關管導通時給變壓器存儲能量。但能量不會加在負載上,當開關管截止時,變壓器的能量釋放到負載側。正激開關電源,后面多的那個二級管是續流二級管,一般輸出部分還會多加一個儲能電感,正激和反激最重要的區別是變壓器初次級的相位是反相的。

                  最大區別

                  正激與反激的工作最大區別是,當開關管關斷時,正激的輸出主要靠儲能電感和續流二級管來維持輸出,而反激的輸出主要靠變壓器次級釋放能量來維持輸出。正激電路不宜做多路輸出,正激電路要用脈寬調整做穩壓必須在次極整流以后串電感,不然輸出電壓主要由輸入決定,與脈寬影響不大,脈寬只影響輸出紋波。如用正激電路做多路輸出原理上存在的問題:如每路輸出不用電感,那么對輸入變化沒有穩壓作用,且沒有開關電源應有的安全性。如果每路加電感:那么輸出電壓在理論上與負載大小有關,不參與反饋的回路就不正。

                  反激電路在原理上就適合多路輸出穩壓。反激電路首先儲能,后把能量按各路的電壓比率供應給每一路,先可以認為每路的輸出比例是不變的(實際有誤差看下面),按電流誰需要多給誰多的原則分配。

                | 更新時間:2020.12.18    查看次數:811
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