開關(guān)電源性能的概念性建議
一：紋波與噪聲
紋波
開關(guān)電源的輸出并不是真正恒定的，輸出存在著周期性的抖動，這些 抖動看上去就和水紋一樣，稱為紋波。
紋波可以是電壓或電流紋波。
通常用2個參數(shù)來描述紋波：
最大紋波電壓：紋波的峰峰值。
紋波系數(shù)：交流分量的有效值與直流分量之比。
紋波產(chǎn)生的原因
開關(guān)電源的紋波來自2個地方：
低頻紋波：來自AC輸入的周期，電源對輸入的抑制比不是完美的，當(dāng)輸入 變化，輸出也會變化。
高頻紋波：來自開關(guān)切換的周期，開關(guān)電源不是線性連續(xù)輸出能量，而是 將能量組成一個個包來傳輸，因此會存在和開關(guān)周期相對應(yīng)的紋波。
如果是線性電源，是沒有開關(guān)紋波的，只有低頻紋波。
紋波的影響
最大紋波會決定輸出的峰值，本來輸出是穩(wěn)定的某個電壓或電流，由 于紋波的影響，使得輸出的峰值比平均值高，這可能會損壞負(fù)載。
比如，對LED來說，過高的電流會減少LED的壽命。
過大的紋波系數(shù)會使得輸出的能量不均衡平滑，從而偏離了直流輸出 這個要求。
比如，對LED來說，過大的紋波系數(shù)會使得LED亮度變化，造成閃爍。
如果開關(guān)電源用來驅(qū)動電池，LED燈這種負(fù)載，低頻紋波的影響更大， 如果是驅(qū)動IC這種高速型負(fù)載，高頻紋波的影響更大。
紋波與噪聲
紋波是由于AC周期或開關(guān)周期引起的輸出抖動，而噪聲是隨機耦合到 輸出上的高頻信號，是不一樣的。
二：調(diào)整率
調(diào)整率
電源在使用時，有兩個明顯變化的外部條件：輸入和負(fù)載。好的電源 應(yīng)該在輸入和負(fù)載發(fā)生變化時，依然能維持恒壓或恒流。
將輸入或負(fù)載變化時，輸出偏離額定輸出的程度稱為調(diào)整率，比如輸 入在最大最小值之間變化，測量輸出的偏差比率，為一個百分比，比 如5%，就稱為調(diào)整率為±5% 。
注意區(qū)分調(diào)整率和紋波，紋波是輸出的動態(tài)特征，而調(diào)整率是讓電源 工作在極限外部條件下，輸出的極限偏差。
調(diào)整率類型
輸入調(diào)整率
其他條件不變，調(diào)節(jié)輸入時，輸出的偏差，對于AC電源來說，是以AC線的 有效電壓作為變化區(qū)間，比如以180——264作為上下限來變化。
有時還會調(diào)節(jié)AC的頻率，來看輸出是否有偏差，比如從47——63Hz區(qū)間。
負(fù)載調(diào)整率
其他條件不變，調(diào)節(jié)負(fù)載時，輸出的偏差。
綜合調(diào)整率
同時調(diào)節(jié)輸入和負(fù)載，找出最差的偏差。
三：恒流
LED恒流驅(qū)動
為什么照明用LED都是電流驅(qū)動？
LED是二極管，而二極管的PN結(jié)的正向?qū)ㄗ杩故秦?fù)溫度系數(shù)，隨著溫度 的升高，二極管正向?qū)ㄗ杩菇档汀?/P>
如果用恒壓源驅(qū)動LED，隨著LED工作，溫度開始升高，溫度升高后，正 向?qū)ㄗ杩菇档停捎贗=U/R，電流升高，且由于功率P=U*I，功率也增加， LED發(fā)熱更厲害，進(jìn)一步刺激溫度升高，陷于惡性循環(huán)，直到LED損壞。
恒壓源驅(qū)動時，溫度和電路是一對正反饋。
所以照明LED都是恒流驅(qū)動，如果是非照明，LED幾乎沒有溫升，此時可 以用恒壓驅(qū)動。
恒流精度
恒流精度和其他電影的恒壓效果一樣，體現(xiàn)在幾個方面。
當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，電源輸出的電流的恒定程度。
在實際應(yīng)用時，多個不同的LED串不可能阻抗特性完全相同，將這些不同的負(fù)載 接到電源上后，電流的誤差就定義為恒流精度。
不光是多負(fù)載，同一個LED，溫度不同時，阻抗特性也不同，不同溫度下電流也 是有誤差的，但這和前面的條件本質(zhì)還是一樣，都是負(fù)載變化。
因此在測試恒流精度時，需要使用電子負(fù)載，讓負(fù)載在合理的范圍內(nèi)變化，測量 電壓的電流誤差。
當(dāng)電源內(nèi)部元件參數(shù)變化時，電源輸出的電流的恒定程度。
▷這并不是標(biāo)準(zhǔn)的恒流精度的定義，但目前很多電源都是有這個要求，其中一個重 要的指標(biāo)是儲能元件，比如電感，或變壓器，感值存在誤差時，電源輸出電流的 恒定度。
考慮到成本因素，儲能元件在加工時偏差是很大的，所以，電源應(yīng)當(dāng)設(shè)計成對儲 能元件的感值不敏感。
鋰電池恒流驅(qū)動
便攜式設(shè)備所用的鋰電池，在不同電量的情況下，電壓是不同的，以 手機所用的鋰電池為例，電池在滿能量時約4.2V，低能量時約2.5V。
如果使用恒壓源對電池充電，當(dāng)電池電量較低時，充電電流會極大， 相當(dāng)于電壓源接到電容上，會損壞電池。
損壞的原因是大電流帶來的大發(fā)熱。
為了限制大電流，目前的充電器都是使用恒流-恒壓充電，當(dāng)電池電壓 低時，使用恒流輸出。
四：沖擊與浪涌
沖擊電流
如果負(fù)載為一個容性負(fù)載，將一個電壓源直接加到負(fù)載上時，會產(chǎn)生 一個非常大的電流，這個電流就稱為沖擊電流。
過大的沖擊電流會使得交流線上的保護電路識別為短路，會導(dǎo)致空氣開關(guān) 跳閘，熔斷保險絲等問題。
對于AC電源來說，將電源接到AC線上的一瞬間，AC電源本身就是一 個容性負(fù)載，假如此時電源的負(fù)載處在滿負(fù)荷狀態(tài)，且AC線正處在峰 值電壓處，會產(chǎn)生最大的沖擊電流。
閃電，雷擊等會在電網(wǎng)上制造時間非常短的高電壓脈沖或者高能量脈 沖。
這種過壓通常是由專門的保護器進(jìn)行保護，比如浪涌放電器。
大功率設(shè)備斷開或接入電網(wǎng)時，會使得電網(wǎng)電壓上升或跌落。為了保 護電源，有時會使用一個壓敏電阻接在輸入端。
壓敏電阻的組織和其上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓變高時，阻值降低。
為什么壓敏電阻不能包含雷擊等產(chǎn)生的脈沖，因為這種浪涌有可能是同時 出現(xiàn)在L線和N線上的。
五：效率與待機功耗
效率和待機功耗
這兩個概念很簡單，但有一點需要厘清，就是電源在工作時：
雖然待機功耗就是電源本身的全部損耗，但是在電源帶負(fù)載時，電源 本身的功耗要大于待機功耗。
電源本身的功耗主要來自于電感/變壓器的損耗，開關(guān)管的損耗，二極管的損耗，這些損耗都和切換頻率有關(guān)，而目前的開關(guān)電源，在輸出功率很低時，都會將頻率降低以節(jié)能，所以電源本身的功耗在帶負(fù)載工作時和待機時是完全不同的。
但是效率是隨著負(fù)載消耗增加而升高的，這個很好理解，待機時效率為0， 而帶負(fù)載時，電源本身功耗的增加跟不上負(fù)載消耗的增加。
六：ESR
電容ESR
開關(guān)電源都需要在輸出加一個電容，將切換電路投遞過來的斷續(xù)能量 平滑成穩(wěn)定的線性輸出，這個電容的重要性不言而喻。
一個非理想因素就是所有的電容都有等效串聯(lián)電阻(ESR)，這個電阻會 導(dǎo)致一系列問題。
電容穩(wěn)壓的原理就是當(dāng)VO電壓上升時，吸入電流，將能量存儲于電容，當(dāng) VO電壓下降時，吐出電流，釋放能量。這個過程中，電流始終流過ESR。
ESR導(dǎo)致的紋波
ESR是輸出高頻電壓紋波的罪魁禍?zhǔn)祝?dāng)電容儲能和釋能時，電流方 向相反，因此輸出在VO=VC+VESR，和VO=VC+VESR之間切換，ESR越 大，紋波電壓越大。
電解電容ESR的危害
為了降低成本，通常輸出電容會使用偏移的電解電容，但是電解電容 的ESR是較高的。
ESR大小：電解電容 > 鉭電容 > 陶瓷電容。
對于電解電容來說，高紋波電壓倒在其次，要命的是ESR會導(dǎo)致電容 發(fā)熱，電流越大，發(fā)熱越厲害，發(fā)熱越厲害，電解電容的電解液蒸發(fā) 得越快，隨著電解液的蒸發(fā)，ESR加大，發(fā)熱更高，陷入惡性循環(huán)。
電解電容本身就壽命不高，是電源系統(tǒng)中壽命最短的器件，由于ESR導(dǎo)致 的發(fā)熱，會加快電解電容報廢，所以開關(guān)電源隨著時間的推移，紋波電壓 會越來越大。
解決ESR的問題
解決方法是降低ESR阻值或降低流過ESR的電流，降低流過ESR的電流 比較麻煩，比較簡單的方法是降低ESR阻值。
可以采用低ESR的電解電容替代普通電容，或者用多個電容并聯(lián)來替代單 個電容。
多個電容并聯(lián)的方法缺點是占用大量的空間，在小體積電源中應(yīng)用受限， 所以有時會用陶瓷和電解電容并聯(lián)的方法，甚至用一種多層陶瓷電容替代 多個陶瓷電容。
七：動態(tài)
動態(tài)響應(yīng)
通常動態(tài)響應(yīng)特指電源的輸入，負(fù)載階躍變化所導(dǎo)致的輸出被擾動后 恢復(fù)正常的過程。
AC電源的輸入為不間斷交流，一般不關(guān)心輸入的階躍變化，動態(tài)響應(yīng)通常 僅限于描述負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時的響應(yīng)。
通常定義空載為0%，滿載為100%，然后用負(fù)載在某2個百分比之間的 切換來定義負(fù)載變化。
常用的負(fù)載變化有0-100,10-90,20-80,25-75，取決于應(yīng)用，對于充電器這類 需要熱插拔的應(yīng)用，最大的變化在0-100。
動態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)
動態(tài)響應(yīng)一般有2個指標(biāo)，一個叫過沖幅度，另一個叫穩(wěn)定時間。
過沖幅度定義為輸出偏離穩(wěn)定值的幅度，有上沖和下沖。
穩(wěn)定時間是負(fù)載開始變化到輸出達(dá)到能接受的范圍內(nèi)的實際。
動態(tài)響應(yīng)和階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng)，指的是輸入階躍，輸出跟著階躍，也就是說輸出要盡快的 變到目標(biāo)值，而動態(tài)響應(yīng)指的是負(fù)載階躍，輸出要盡快的穩(wěn)定下來。 這兩者在形式上不同，但本質(zhì)是相同的。
以恒壓輸出為例，當(dāng)負(fù)載突變時，為了維持電壓恒定，需要調(diào)整電流，電 流調(diào)整的過程，通過負(fù)載就會表現(xiàn)出電壓的波動，所以，負(fù)載的動態(tài)響應(yīng)， 其本質(zhì)就是負(fù)載-輸出電流這個傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)。
將Load視為輸入后，REF就是固定值，整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)變?yōu)長oad-IOUT 的傳遞函數(shù)。
對于負(fù)載非阻性的應(yīng)用，比如電池等，也將其模擬為電阻。
| 【上一個】 如何降低導(dǎo)軌開關(guān)電源的輸出紋波噪聲？ | 【下一個】 精確地測量開關(guān)電源紋波本身就是一門藝術(shù) |
| ^ 開關(guān)電源性能的概念性建議 |