编号2：开关电源知识

1、1Switching Power Supply IntroduceTENPAO 2目录n第1章章 开关电源基本知识开关电源基本知识n第第2章章 开关电源基本特性开关电源基本特性n第第3章章 开关电源安规特性开关电源安规特性n第第4章章 能效要求能效要求n第第5章章 开发阶段开发阶段3第第1章章 充电器基本知识充电器基本知识1.1开关电源概述 广义地说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转换为另一种电源形态的电路就叫开关转换电路，转换时用自动控制闭环稳定输出的就成为开关电源。开关电源被广泛应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通讯设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。高耐压的大功率MOS管

2、的广泛应用使开关电源的工作频率由最初的20kHz提高到100kHz，又使开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。41.2开关电源换电压方式分类:开关电源可以分为四类:1.AC-DC称之为整流.2.DC-AC称之为逆变.3.AC-AC称之为交-交变频（或变压）.4.DC-DC称之为直流-直流变换。51.3开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较1.体积： 线性电源主要是通过工频变压器实现降压目的，处理的功率越大，工频变压器的体积就越大，线性电源的体积也就越大；开关电源因为是通过高频转换电路来达到降压的目的，当处理的功率越大时，可以通过提高工作频率的方式来保持体积不变，甚至变得更小。2.效

3、率： 线性电源主要是在工频变压器降压后使用线性稳压器达到稳压目的，当输入电压上升时，线性稳压器将有更多的损耗，比如在输入10V时使用线性稳压器使输出电压稳定在5V，此时线性稳压器上将有5V的压降，整个线性电源的效率将低于50%（因为工频变压器本身也有损耗）；而一个50W，5V输出的开关电源的效率可以实现在80%以上。63.输入电压的范围：因为工频变压器只是通过其线圈匝比进行降压，当输入电压的范围越大时，线性稳压器的输入端电压变化越大，在最高输入电压的效率越低，损耗更大；而一般开关电源的电压调整率可以做到0.5%甚至更高。4.EMC：由于开关电源是通过高频转换来处理功率，工作频率在20kHz15

4、0kHz甚至更高，半导体开关器件在开关瞬间会产生较强的电磁噪声；相对而言线性电源不存在开关工作，产生的高频电磁噪声几乎没有。5.成本:小功率段:线性电源因元件少而成本较便宜.中大功率:因铜价的不断上涨,输出功率越大,线性电源的成本就不断上升.而开关电源随着技术的发展,而成本越来越低.71-1 开关电源整体功方框图开关电源整体功方框图AC INPWM控制电路EMI滤波电路高压整流滤波隔离变压器整流滤波电路直流输出初级开关转换线路反馈控制电路保护电路1.4. 开关电源功能方框图及介绍:8A. EMI滤波电路滤波电路： 主要由共模电感、差模电感、X电容和Y电容组成，其目的是为了保护开关电源能正常工作

5、不受外部电磁干扰的影响以及防止开关电源本身制造的电磁噪声干扰其它电子设备。B.高压整流滤波电路：高压整流滤波电路： 主要由桥式整流器和输入电容组成，其目的是将输入 的交流电进行初步的整流滤波得到一个初步的直流电。C.初级开关转换线路和次级整流滤波线路：初级开关转换线路和次级整流滤波线路： 初级开关转换线路和次级整流滤波线路是开关电源的主要组成部分，主要由隔离变压器，半导体开关和二次侧的整流半导体、滤波电容组成，作用是将初步整流滤波所得的直流电转化为输出所需要的直流电并满足部分输出特性，比如输出纹波电压。9D.PWM控制电路：控制电路： 由PWM控制集成电路和其周边的起辅助作用的电阻电容组成，是

6、开关电源的核心，其作用是通过控制半导体开关来得到所希望的输出电压。E. 反馈控制回路：反馈控制回路： 由输出电压采样线路、反馈光耦、提供独立参考电压的辅助线路和其它一些闭环控制所需的电容电阻组成，作用是将输出的电压转化为某种特定的信号传送给初级的PWM控制线路。F.输出保护线路：输出保护线路： 由输出采样线路、反馈光耦、提供独立参考电压的辅助线路和其它一些辅助的电容电阻组成，其作用是在某些异常情况下保护输出端连接的电子设备和开关电源本身，比如输出过电压和输出过载。101.5 开关电源电路图24W电路图电路图12345678ABCD87654321DCBAScaleSheetSizeFCSM N

7、o.DWG No.Rev0 of 0A31234BR1L1F1MOVLNCX1C1D1N2L2312IC3TL431IC2PC817R21R22R23C10C6N3D2GNDGNDC3Q1天宝电子有限公司研发部Title：Daw By：Date:Number:1 OF 1R18AV+D3L3C2R1R2R4R13R14R6R5R25NTCGND1FB2RI3GATE6VDD5CSin4IC1C4C5R11CY1R7C8C9Z1R17C12GNDN1R16R15C11R12C7R24R20C13LEDR19O ptionO ptionO ptionR18BB1B!11第第2章章 开关电源基本特性

8、开关电源基本特性所有所有 测试项目测试项目1.POWER FACTOR & EFFICIENCY TEST / 功率因素和效率测试功率因素和效率测试 2.ENERGY EFFICIENCY TEST / 能效测试能效测试(CEC STANDARD)3. AC I / P CURRENT TEST / 输入电流测试输入电流测试4.INRUSH CURRENT TEST / 浪涌电流测试浪涌电流测试5. LINE REGULATION TEST / 电压调整率测试电压调整率测试6.LOAD REGULATION TEST / 负载调整率测试负载调整率测试7.BROWN OUT &

9、RECOVERY TEST / 输入缓慢变动测试输入缓慢变动测试128.RIPPLE & NOISE TEST / 纹波及噪声测试纹波及噪声测试9.RISE TIME TEST / 上升时间测试上升时间测试 10.TURN ON DELAY TIME TEST / 开机延迟时间测试开机延迟时间测试11.HOLD UP TIME TEST / 关机维持时间测试关机维持时间测试12.OUTPUT OVERSHOOT TEST / 输出过冲幅度测试输出过冲幅度测试 13.OUTPUT TRANSIENT RESPONSE TEST / 输出暂态响应测试输出暂态响应测试14.OVER CURR

10、ENT PROTECTION TEST / 过流保护测试过流保护测试 15.SHORT CIRCUIT PROTECTION TEST / 短路保护测试短路保护测试 16.OVER VOLTAGE PROTECTION TEST / 过压保护测试过压保护测试17.MAX. AND MIN. LOAD CHANGE TEST / 重轻载变化测试重轻载变化测试18.INPUT VOLTAGE CHANGE TEST / 输入电压变动测试输入电压变动测试1319.POWER ON/OFF CYCLE TEST / 电源开关循环测试电源开关循环测试20.COMPONENT THERMAL TEST /

11、 元件温升测试元件温升测试21.COMPONENT STRESS ANALYSIS / 元件应力分析元件应力分析22.HIGH TEMP OPERATION TEST / 高温操作测试高温操作测试23.HIGH TEMP.&HUMIDITY STORAGE TEST / 高温高湿储存测试高温高湿储存测试24.LOW TEMP. OPERATION TEST / 低温操作测试低温操作测试25. LOW TEMP. STORAGE TEST / 低温储存测试低温储存测试26. LOW TEMP. STARTING UP TEST / 低温启动测试低温启动测试27.TEMPERATURE C

12、YCLING TEST / 温度循环测试温度循环测试28. THERMAL SHOCK TEST / 冷热冲击测试冷热冲击测试29. HI - POT TEST / 绝缘耐压测试绝缘耐压测试1430.INSULATION RESISTANCE TEST / 绝缘阻抗测试绝缘阻抗测试31. LEAKAGE CURRENT TEST / 漏电流测试漏电流测试32.UNIT DROP TEST / 跌落测试跌落测试33.BALL PRESSURE TEST / 球压力测试球压力测试34. LIGHTNING SURGE TEST / 雷击测试雷击测试35. ESD TEST / 静电放电测试静电放电

13、测试36. EMI TEST / 电磁干扰测试电磁干扰测试(CONDUCTION)37.COMPONENT OPEN&SHORT TEST / 元件的开路和短路测试元件的开路和短路测试38.UNIT VIBRATION TEST / 振动测试振动测试39.MTBF ESTIMATION / 平均故障间隔时间估算平均故障间隔时间估算40.ELECTROLYSIS CAPACITANCE LIFE CALCULATION/电容寿命电容寿命41. BURN IN TEST / 老化试验老化试验152.1 Inrush current: 常规特性Fig1-1 Inrush Current -

14、240Vac(50Hz) CC=0.45AInrush CurrentInput Voltage162.2 Output ripple and noise:Fig2-1 Ripple & Noise - 90Vac(60Hz) CV=4.75V172.3 Output overshoot:Fig3-1 Overshoot - 90Vac(60Hz) CC=0.0A182.4 Turn on delay time:Fig4-1 Turn on delay time - 90Vac(60Hz) CC=0.45AOutput VoltageInput Voltage192.5 Hold up

15、 time:Fig5-1 Hold up time - 115Vac(60Hz) Max. loadInput VoltageOutput Voltage202.6 Output transient response: Fig6-1 Transient response - 90Vac(60Hz) (20-80%)*0.45A212.7 Output short circuit:Fig7-1 Short Circuit - 90Vac(60Hz) CC=0.45A222.8 Output OVP:Fig8-1 OVP - 90Vac(60Hz) Unload232.9 Output OCP:F

16、ig9-1 OCP - 90Vac(60Hz) CC=0.45AOutput CurrentOutput Voltage242.10 Max. and min. load change:Fig10-1 Max.& Min. load change - 90Vac(60Hz) 252.11 Rise time:Fig11-1 Rise time - 90Vac(60Hz) CV=4.75V262.12 Input volt. Change:Fig12-1 Input volt. change - 90-180Vac(50Hz) & 0.45A272.12 Input volt.

17、Change:Fig12-1 Input volt. change - 90-180Vac(50Hz) & 0.45A282.12 Input volt. Change:Fig12-1 Input volt. change - 90-180Vac(50Hz) & 0.45A29第第3章章 开关电源基本安规要求开关电源基本安规要求 3.1安规标准安规标准 开关电源设计通常按满足开关电源设计通常按满足 60950安规安规来进行设计来进行设计. 一次侧对二次侧：DC4242V(或AC3000V), 3.5mA标准测试1分钟,量产测试3秒钟. 3.2绝缘介电强度（耐压）绝缘介电强度（耐

18、压）输入对输出 10 兆欧姆(500VDC)最小. 3.3绝缘阻抗绝缘阻抗30 3.5 ESD 标准标准 开关电源常规为4KV接触放电,8KV空气放电;(特殊为8KV接触,12KV空气) 3.6 雷击雷击 标准标准 开关电源常规为L对N 1KV 3.4EMI 标准标准 开关电源要符合辐射及传导要求,满足FCC CLASS B, EN55022 CLASS B .通常会控制在6dB以上裕量.3.7 EN60065正常条件下的温度规格:31EN60065正常条件下的温度规格正常条件下的温度规格1.INLET temperature70(安规证书规定值)2.MOV按材料规格书规定温度值3.X CAP

19、 temperature标称温度值(参考85 / 100)4.线圈温度(热电偶法) 90 （class A）105（class E）110（class B）桥堆温度按材料规格书规定温度值二极体温度按材料规格书规定温度值滤波电容温度按材料规格书规定温度值MOSFET及功率三极管温度按材料规格书规定温度值Y CAP temperature 标称温度值(参考85 / 125)光耦 temperature 标称温度值(参考85 / 100)PCB temperature 105 / 130Case surface temperature95D(注：如果外壳材料温度低于此温度，则以UL黄卡为基准）32第

20、第4章章 能效要求能效要求 4.1各国与地区能效要求说明见下表各国与地区能效要求说明见下表能效认证要求说明（适用的外部电源产品）能效认证要求说明（适用的外部电源产品）国家或地区国家或地区美国加州美国加州美国其它地区美国其它地区欧洲地区欧洲地区(EUP)(EUP)澳洲地区澳洲地区(MEPS)(MEPS)备注备注是否强制要求是否否是其它国家及地区目前并无明确的相关能效规定。能效级别最低要求III、IVIII没有明确定义等级,但其要求比美国IV级能效更严,空载功耗具体要求如下:0.30W(0至小于60W电源)0.50W(60至150W电源)III (能效等级限制值等同美国能效等级)能效实施时间III

21、(2006.7.1)、IV(2008.7.1)2008.1.12007.1.1 2008.4.1是否需申请是是是是申请费用无无无USD:1,500.00申请时间10天15天15天暂未定其它说明我司天祥实验室已取得CEC认可，只要我司实验室出具测试合格报告即可挂能效标志,无费用产生。我司已获得能源之星(Energy Star) 的许可，只要提交测试报告申请报备即可，无费用产生。认可能源之星网站上的数据,我司已获得能源之星(Energy Star) 的许可，只要提交测试报告申请报备即可，无费用产生。暂不能申请。33现在采用的判定标准现在采用的判定标准（CEC能效标准等级）新的判定标准（草案）新的判

22、定标准（草案）标示额定输出功率 Pno (W)最小平均效率标示额定输出功率 Pno (W)最小平均效率0Pno10.5* Pno0Pno11.Vo6V: 0.497* Pno+0.0672.Vo6V: 0.48* Pno+0.141Pno510.09*Ln (Pno)+0.51Pno491.Vo6V: 0.075*Ln (Pno)+0.5612.Vo6V: 0.0626*Ln (Pno)+0.622Pno510.85Pno490.87标示额定输出标示额定输出功率功率 Pno (W)最大空载功率最大空载功率(W)标示额定输出标示额定输出功率功率 Pno (W)最大空载功率最大空载功率(W)0Pno100.50Pno500.5（AC-AC）0.3（AC-DC）10Pno2500.550Pno2500.5（AC-AC）0.5（AC-DC）标示额定输出标示额定输出功率功率 Pno (W)功率因数功率因数75Pno0.9（100%负载时测试）负载时测试）34 4.1 GB 20943-2007标准要求标准要求外部电源中国能效标准外部电源中国能效标准（2007.12.01生效）生效）外部电源中国能效标准外部电源中国能效标准（2009.12.01生效）生效）标示额定输出标示额定输出功率功率 Pno (W)最小平均效率最小平均效率标示额定输出标示额定输出功率功率 Pno