开关电源原理设计及实例[陈纯锴][电子教案(PPT本)]

11.1开关电源的性能指标11.2开关电源的测试方法11.3开关电源的测试记录及数据处理11.4高频变压器磁饱和的检测方法第11章开关电源的测试开关电源的测试是制作开关电源不可或缺的重要环节，通过测试可知道开关电源的性能如何，可见开关电源测试的重要性。本章主要对开关电源的测试进行了概述，介绍了测试技术、测试方法、性能测试、测试结果及分析，最后介绍了高频变压器磁饱和的检查方法。通过本章的学习，可提高开关电源的测试技巧。第11章开关电源的测试11.1开关电源的性能指标开关电源的性能指标是衡量开关电源好坏的标准。开关电源的性能指标有很多，包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠性、安全性和生产成本等。根据电源用途不同，指标优先考虑的重点也不同，但首先应考虑电源的安全性。目前，许多国家都有相应的开关电源安全规范。常用的国际安全规范为IEC950、IEC65。本节重点讨论电源的电气指标，下面分别叙述各个性能指标的概念。11.1开关电源的性能指标一、描述输入电压影响输出电压的几个指标形式1．绝对稳压系数：（1）绝对稳压系数：表示负载不变时，稳压电源输出直流变化量△Uo与输入电网变化量△Ui之比。即：K=△Uo/△Ui。（2）相对稳压系数：表示负载不变时，稳压器输出直流电压Uo的相对变化量△Uo与输出电网Ui的相对变化量△Ui之比。即：S=△Uo/Uo/△Ui/Ui。2．电网调整率：它表示输入电网电压由额定值变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。11.1开关电源的性能指标3．电压稳定度：负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的范围内变化所引起的输出电压相对变化△Uo/Uo(百分值)，称为稳压器的电压稳定度。二、负载对输出电压影响的几种指标形式1．负载调整率(也称电流调整率)：在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。2．输出电阻(也称等效内阻或内阻)：在额定电网电压下，由于负载电流变化△IL引起输出11.1开关电源的性能指标电压变化△Uo，则输出电阻为：Ro=|△Uo/△IL|欧。　三、纹波电压的几个指标形式1．最大纹波电压：在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波(包括噪声)的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。2．纹波系数y(%)：在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，即：y=Urms/Uo×100%。3．纹波电压抑制比：在规定的纹波频率(例如50Hz)下，输出电压中的纹波11.1开关电源的性能指标电压Ui~与输出电压中的纹波电压Uo~之比，即：纹波电压抑制比=Ui~/Uo~。这里声明一下：噪声不同于纹波。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰(peaktopeak)值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰(peaktopeak)值表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰(peaktopeak)值表示，一般在输出电压的2%以下。如图11-1所示，开关电源的纹波和噪声一般情况下指总的纹波电压形成的正反峰之间的电压值，由四部分组11.1开关电源的性能指标成。低频纹波：频率为输入AC电源频率的2倍(直流输入时无此项)。高频纹波：频率与开关电源的内部脉冲调制(PWM)频率相同。开关噪声：与开关脉冲的频率相同中。随机噪声：与交流输入电压及开关频率无关。11.1开关电源的性能指标11.1开关电源的性能指标四、冲击电流：指输入电压按规定时间间隔接通或断开时，输入电流达到稳定状态前所通过的最大瞬间电流。一般是20A～30A。五、过流保护：这是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端子上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。过流的给定值一般是额定电流的110%～130%。六、过压保护：是一种对端子间过大电压进行负载保护的功能。一般规定为输出电压的130%～150%。11.1开关电源的性能指标七、输出欠压保护：当输出电压在标准值以下时，检测输出电压下降或为保护负载及防止误操作而停止电源并发出报警信号，多为输出电压的80%～30%左右。八.过热保护：在电源内部发生异常或因使用不当而使电源温升超标时停止电源的工作并发出报警信号。九.温度漂移和温度系数：温度漂移：环境温度的变化影响元器件的参数的变化，从而引起稳压器输出电压变化。常用温度系数表示温度漂移的大小。11.1开关电源的性能指标绝对温度系数：温度变化1摄氏度引起输出电压值的变化△UoT，单位是V/℃或毫伏每摄氏度。相对温度系数：温度变化1摄氏度引起输出电压相对变化△UoT/Uo，单位是V/℃。十、漂移：稳压器在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，元件参数的稳定性也会造成输出电压的变化，慢变化叫漂移，快变化叫噪声，介于两者之间叫起伏。表示漂移的方法有两种：1．在指定的时间内输出电压值的变化△Uot。11.1开关电源的性能指标2．在指定时间内输出电压的相对变化△Uot/Uo；考察漂移的时间可以定为1分钟、10分钟、1小时、8小时或更长。只在精度较高的稳压器中，才有温度系数和温漂两项指标。十一、响应时间：是指负载电流突然变化时，稳压器的输出电压从开始变化到达新的稳定值的一段调整时间。在直流稳压器中，则是用在矩形波负载电流时的输出电压波形来表示这个特性，称为过度特性。十二、失真：这是交流稳压器特有的。是指输出波形不是正弦波形11.1开关电源的性能指标，产生波形畸变，称为畸变。十三、噪声：按30Hz～18kHz的可听频率规定，这对开关电源的转换频率不成问题，但对带风扇的电源要根据需要加以规定。十四、输入噪声：为使开关电源工作保持正常状态，要根据额定输入条件，按由允许输入外并叠加于工业用频率的脉冲状电压(0～peak)制定输入噪声指标。一般外加脉冲宽度为100us～800us，外加电压1000V。11.1开关电源的性能指标十五、浪涌：这是在输入电压以1分钟以上的间隔按规定次数加一种浪涌电压，以避免发生绝缘破坏、闪络、电弧等异常现象。通信设备等规定的数值为数千伏，一般为1200V。十六、静电噪声：指在额定输入条件下，外加到电源框体的任意部分时，全输出电路能保持正常工作状态的一种重复脉冲状的静电，一般保证(5～10)kV以内。十七、稳定度：允许使用条件下，输出电压最大相对变化△Uo/Uo。11.1开关电源的性能指标十八、电气安全要求(GB4943-90)：1．电源结构的安全要求：1)空间要求：UL、CSA、VDE安全规范强调了在带电部分之间和带电部分与非带电金属部分之间的表面、空间的距离要求。UL、CSA要求：极间电压大于等于250VAC的高压导体之间，以及高压导体与非带电金属部分之间(这里不包括导线间)，无论在表面间还是在空间，均应有0.1英寸的距离；VDE要求交流线之间有3mm的徐变或2mm的净空隙；IEC要求：交流线间有3mm的净空间隙及在交流线与接地导体间的4mm的净空间隙。另外，VDE、IEC要。11.1开关电源的性能指标求在电源的输出和输入之间，至少有8mm的空间间距2)电介质实验测试方法(打高压：输入与输出、输入和地、输入AC两级之间)。3)漏电流测量：漏电流是流经输入侧地线的电流，在开关电源中主要是通过静噪滤波器的旁路电容器泄露电流。UL、CSA均要求暴露的不带电的金属部分均应与大地相接，漏电流测量是通过将这些部分与大地之间接一个1.5K欧的电阻，其漏电流应该不大于5毫安。VDE允许：用1.5K欧的电阻与150nP电容并接。并施加1.06倍额定使用电压，对数据处理设备，漏电流应不大于3.5毫安，一般11.1开关电源的性能指标是1毫安左右。4)绝缘电阻测试：VDE要求：输入和低电压输出电路之间应有7M欧的电阻，在可接触到的金属部分和输入之间，应有2M欧的电阻或加500V直流电压持续1分钟。5)印制电路板要求：要求是UL认证的94V-2材料或比此更好的材料。2．对电源变压器结构的安全要求：1)变压器的绝缘：变压器的绕组使用的铜线应为漆包线，其他金属部分11.1开关电源的性能指标应涂有瓷、漆等绝缘物质。2)变压器的介电强度：在实验中不应出现绝缘层破裂和飞弧现象。3)变压器的绝缘电阻：变压器绕组间的绝缘电阻至少为10M欧，在绕组与磁心、骨架、屏蔽层间施加500伏直流电压，持续1分钟，不应出现击穿、飞弧现象。4)变压器湿度电阻：变压器必须在放置于潮湿的环境之后，立即进行绝缘电阻和介电强度实验，并满足要求。潮湿环境一般是11.1开关电源的性能指标：相对湿度为92%(公差为2%)，温度稳定在20到30摄氏度之间，误差允许1%，需在内放置至少48小时之后，立即进行上述实验。此时变压器的本身温度不应该较进入潮湿环境之前测试高出4摄氏度。5)VDE关于变压器温度特性的要求。十九、无线电骚扰(按照GB9254-1998测试)1．电源端子骚扰电压限值2．辐射骚扰限值二十、环境实验环境试验是将产品或材料暴露到自然或人工环境中，11.1开关电源的性能指标从而对它们在实际上可能遇到的贮存、运输和使用条件下的性能作出评价。⑴低温⑵高温⑶恒定湿热⑷交变湿热⑸冲撞(冲击和碰撞)⑹振动⑺恒加速⑻贮存⑼长霉⑽腐蚀大气(例如盐雾)⑾砂尘⑿空气压力(高压或低压)⒀温度变化⒁可燃性⒂密封⒃水⒄辐射(太阳或核)⒅锡焊⒆接端强度⒇噪声：微打65dB。二十一、电磁兼容性试验电磁兼容性试验(electromagneticcompatibilityEMC)：是指设备或系统在共同的电磁环境中能正常工作且11.1开关电源的性能指标不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。电磁干扰波一般有两种传播途径，要按各个途径进行评价。一种是以波长的频带向电源线传播，给发射区以干扰的途径，一般在30MHz以下。这种波长的频率在附属于电子设备的电源线的长度范围内还不满1个波长，其辐射到空间的量也很少，由此可掌握发生于电源线上的电压，进而可充分评估干扰的大小，这种噪声叫做传导噪声。当频率达到30MHz以上，波长也会随之变短。这时如果只对发生于电源线的噪声源电压进行评价，就与实际干扰不符。因此，采用了通过直接测定传播到空间的11.1开关电源的性能指标干扰波评价噪声大小的方法，该噪声就叫做辐射噪声。测定辐射噪声的方法有上述按电场强度对传播空间的干扰波进行直接测定的方法和测定泄露到电源线上的功率的方法。电磁兼容性试验包括以下试验：①磁场敏感度：(抗扰性)设备、分系统或系统暴露在电磁辐射下的不希望有的响应程度。敏感度电平越小，敏感性越高，抗扰性越差。②静电放电敏感度：具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的11.1开关电源的性能指标电荷转移。300PF电容充电到-15000V，通过500欧电阻放电。可超差，但放完后要正常。数据传递、储存，不能丢。③电源瞬态敏感度：包括尖峰信号敏感度(0.5us10us2倍)、电压瞬态敏感度(10%～30%，30S恢复)、频率瞬态敏感度(5%～10%，30S恢复)。④辐射敏感度：对造成设备降级的辐射干扰场的度量。(14kHz～1GHz，电场强度为1V/M)⑤传导敏感度：11.1开关电源的性能指标当引起设备不希望有的响应或造成其性能降级时，对在电源、控制或信号线上的干扰信号或电压的度量。(30Hz～50kHz3V，50kHz～400MHz1V)⑥非工作状态磁场干扰：包装箱4.6m磁通密度小于0.525Ut，0.9m0.525Ut。⑦工作状态磁场干扰：上、下、左、右交流磁通密度小于0.5mT。⑧传导干扰：沿着导体传播的干扰。10KHz～30MHz60(48)dBuV。11.1开关电源的性能指标⑨辐射干扰：通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰。10KHz～1000MHz30屏蔽室60(54)uV/m。开关电源的测试方法是测试的关键，好的测试方法才能确切体现开关电源的性能指标。下面分别介绍开关电源主要性能指标的测试方法。测试仪器是测试时的主要工具，主要的测试仪器和设备有：数字万用表（FLUKE12/FLUKE37/FLUKE87）、数字示波器（TektronixTDS340A）、电子负载（DH2790/DH2794-1或类似系列）、交流电源仪（SlideRegulator）、隔离变压器（500W-3KW）、泄漏耐压测试仪（CS2675或类似系列）、绝缘电阻测试仪（CS2612或类似系列）、直流电源（PS3003/MDS-604或类似系列）等。11.2开关电源的测试方法1.负载效应（负载调整率）的测试测试电路如图11-2所示，(1)交流输入电压220V，输出电流为50%Io时，测出稳定的直流输出电压值Uo。(2)调整负载电流为100%Io与(10%-15%)Io，测出稳定的直流输出电压值Uo1，Uo2。(3)计算100%Io与(10%-15%)Io条件下电压调整率：α1=(Uo1-Uo)/Uoｘ100%；α2=(Uo2-Uo)/Uoｘ100%。(4)对于多路输出，其它各路输出应同时加100%或(10%-15%)负载。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法2.源电压效应（电压调整率）的测试测试电路如图11-3所示，(1)交流输入电压220V，输出电流为满载时，测出稳定的直流输出电压值Uo。(2)调整交流输入电压为90V，265V，测出稳定的直流输出电压值Uo1，Uo2。(3)计算90V，265V条件下电压调整率：α1=(Uo1-Uo)/Uoｘ100%；α2=(Uo2-Uo)/Uoｘ100%。(4)对于多路输出，其它各路输出应同时加100%负载。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法3.输出纹波和噪声（mv）的测试（1）如11-4所示的是测试电源输出纹波与噪声最好的方法。因其可将辐射噪声产生的影响降为最低。图中所用示波器带宽为0-20MHz。示波器探头的地线环直接接触电源的输出负端，探针与输出正端相接触。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法（2）采用示波器测量开关电源的纹波及噪声时示波器探针的另外两种测试方法如图11-5和11-6所示。采用这两种接法，可以排除示波器与供电电源通过电网产生的共模干扰噪声及开关电源电磁辐射在示波器探头上感应出的噪声。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法（3）平行线测量法如图11-5所示：输出管脚接平行线后接电容，在电容两端使用20MHz示波器探头测量。图中C为瓷片电容，负载与模块之间的距离在51mm和76mm之间。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法4.功率因数和效率的测试测试电路如图11-6所示。(1)交流输入电压90V，160V，220V，265V，输出电流为100%Io，30%Io，空载时，测出对应的稳定的直流输出电压值Uo与对应的交流输入功率Pin和功率因数。(2)计算效率η=Po/Pinｘ100%=(UoｘIo)/Pinｘ100%(3)对于多路输出，其输出功率为各路输出功率之和。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法5.输出电压的测试（1）空载输出电压测试图如图11-7所示，将开关电源的输入电压调至开关电源的额定电压，用万用表测试开关电源的输出电压，为了减小误差，可以多测几组数据（图11-7中的电源开关电源表示所检开关电源）。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法（2）额定负载下开关电源输出测试图如图11-8所示，这一步测试包括额定输出电压和电流的测试，首先要确定开关电源的额定负载，一般选择电阻作为负载。注意选择电阻的功率一定要远大于开关电源的输出功率，以减小电阻的发热，还可以加一些散热措施，如放置排风扇等。额定负载 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 为：R0=U2/P。式中R0为额定负载电阻值，U为标称输出电压值，P为额定功率。确定了额定负载以后，将开关电源额定输入电压接上，接通开关电源的负载回路，在负载回路中串一电流表（为安全计，推荐采用串入精密分流电阻器测其压降，换算为电流值），测试回路中的电11.2开关电源的测试方法流，用万用表电压档测试开关电源输出电压。并记录电压电流值。11.2开关电源的测试方法6.额定电压输出时的输出电流测试使用仪器设备有交流电源和电子负载。测试条件：输入电压分别为90v、115v、132v、180v、230v、264v，输入频率为47Hz-63Hz，输出电压为额定电压值。首先固定输入电压与频率，依条件设定CV模式下的输出电压；然后开机待输出稳定时记录输出电流值；接着切换输入电压与频率，记录不同输入电压时的输出电流值，最后记录在输出电压值不同条件下的输出电流值。11.2开关电源的测试方法7.输入电流测试使用仪器设备有交流电源，电子负载和功率表。测试图如下图所示，输入电压分别为90v、115v、132v、180v、230v、264v，输入频率为47Hz-63Hz，负载为最大负载，从功率计中记录电流值即可。11.2开关电源的测试方法8.输出过压保护功能测试在交流输入电压220V，输出满载条件下测试。(可根据需要加测交流输入电压90V-100V，满载输出条件下过压保护功能)。调整输出电位器使输出电压缓慢升高，直到电源输出突然关断(输出电压突变为零，电源处于保护状态)，此时输出电压值即为输出过压保护点。若无输出调整电位器，可在电源满载工作时，于输出端外加直流电压并慢慢调高，直到电源保护无输出。11.2开关电源的测试方法11.2开关电源的测试方法9.短路保护测试若要求开关电源短路保护特性为长期自恢复，可以用导线连至开关电源的输出端进行测试，长时间（根据需要确定）观察，短路时的电压输出以及短路排除后的开关电源输出。11.2开关电源的测试方法10.过流保护测试过流保护测试电路如图11-10所示，图中R3表示一个能产生两倍于额定负载的电流（即此时R3的阻值为额定负载的一半），VO+和VO-分别接开关电源的输出正端和负端。过流保护点的含义为当回路中的电流大到一定值时，开关电源截止输出（须注意有些开关电源的过流保护不是截止型而可能是限流型的）。在开关电源输出回路中串入可变负载（要求可变范围足够大），通过调节可变负载，来调节回路中的电流，在电流上升期间，注意电流表的读数，读出在电流变至0（或某极小、较小值）之前的数值，即为开关电源11.2开关电源的测试方法的过流保护点（此时要注意电阻的散热，因为在过流情况下电阻发热比额定输出时要多）。11.2开关电源的测试方法11.3开关电源的测试记录及数据处理开关电源的每一步测试都要详细记录数据及异常情况，如果有异常情况要分析原因。数据记录以备计算参数和开关电源的评价而用。数据的处理：1．平均值处理2．源效应（电压调整率）计算[（Vo1－Vo2）/Vo]*100%注：Vo1是在输入电压上限时测得的输出电压值，Vo2为在输入电压下限时测得的输出电压值，Vo为标称输出电压。11.3开关电源的测试记录及数据处理3.负载效应（负载调整率）的计算公式为[（Vo’－V额）/Vo]*100%注：Vo’是在开关电源输出回路中接入了按百分比等效后的电阻后测得的开关电源输出电压，V额为在额定负载下测得的开关电源输出电压，Vo为标称输出电压。4.效率的计算公式为η=Po/Pinｘ100%=(UoｘIo)/Pinｘ100%注：Po为开关电源的输出功率，Pin为开关电源的输入功率，Uo为开关电源的输出电压，Io为开关电源的输出电流。11.4高频变压器磁饱和的检测方法高频变压器是工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低，可分为几个档次：10kHz～50kHz、50kHz～100kHz、100kHz～500kHz、500kHz～1MHz、1MHz以上。传送功率比较大的，工作频率比较低；传送功率比较小的，工作频率比较高。这样，既有工作频率的差别，又有传送功率的差别。11.4高频变压器磁饱和的检测方法高频变压器是开关电源最主要的组成部分。开关电源中的拓扑结构有很多。比如半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生100kHz的高频脉冲波，然后通过高频变压器进行变压，输出交流电，高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少。在开关电源中的变压器工作于高频脉冲状态，分布参数、趋肤效应、损耗等因素的影响，是高频变压器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 困难的原因。比如工作频率的提高，使磁心可工作的磁感密度下降，否则可能出现饱和现象。所谓变压器的磁饱和是指磁通密度达到了饱和磁通密度，此时变压器原边电感减小，根据I=VTon/L11.4高频变压器磁饱和的检测方法，I就会突然增大并迅速进入深度(完全)饱和，此时相当于线圈短路。图11-11为变压器原边电流波形，从波形可以看出，在开关管开通后期，电流不是线性增加，而是突然上翘，这个电流波形就是变压器饱和的特征。而变压器非饱和状态下原边的电流波形如图11-12所示。磁饱和是一种磁性材料的物理特性，磁饱和产生后，在开关电源中是有害的，但有些场合有时是有益的。11.4高频变压器磁饱和的检测方法11.4高频变压器磁饱和的检测方法高频变压器磁饱和的基本知识我们已了解，那么接下来怎样检测变压器磁饱和的这种状态便是我们关注的重点。介绍高频变压器磁饱和的检测方法。1.用1欧姆电阻，电感，3300微法、16V电容构成放电回路，用外部电压（12V）事先给电容充电。用数字示波器触发方式观察，得到回路电流波形，电流按一定斜率直线上升，末端饱和时突然更快的上升，最后由于电容放电，电流下降。通过电流斜率和放电电压可得出电感量，通过最大线性电流可得出饱和电流。用这个方法可以测量最小50μH的电感。该方法所测波形是瞬间形成的，需通过示波器读取数值，属非自动检测；11.4高频变压器磁饱和的检测方法2.加一采样检测绕组，将绕组上的电动势直接输入单片机测试仪工作原理如图11-13所示：8038产生的正弦波经功率放大与外加直流激励共同作用在电感线圈上，调节直流激励的大小，产生直流偏磁致使电感发生磁饱和。方波一路直接接到单片机的P1口，永远检测跳沿并决定采样的起始点。另一路接到倍频电路，产生频率fc=Nf0的方波，用于产生等间隔采样所需用的脉冲。倍频电路的输出直接接到单片机的中断口，等间隔采样采用中断处理方式。通过对采样电动势的一系列数据分析得出磁饱和电流的大小。该方法可直接显示结11.4高频变压器磁饱和的检测方法果，激励设置稍显复杂单片机处理数据过程采用多次中断