开关直流电源我们会经常的接触到，也在工作中经常会使用到，但是它的原理我们也许不太知道。但是作为我们直流电源工程师而言，开关直流电源的工作原理可以不清楚，但是它的一些专用名词还是需要了解一些的，比如什么是开关直流电源的纹波？什么是开关直流电源的噪声？什么是开关直流电源的纹波？直流电源的调整率又怎么表示？调整率又分为多少种类？开关直流电源的冲击电流和浪涌电压该怎么形象的解释？开关直流电源的效率和待机功耗又是什么？开关直流电源的电容ESR是什么呢？它的危害又有哪些？什么是直流电源的动态响应........，要回答以上的问题，我想应该没有几个工程师能知道，那我们就往下看看吧。

纹波与噪声

什么是开关直流电源的纹波？

开关电源的输出并不是真正恒定的，输出存在着周期性的抖动，这些 抖动看上去就和水纹一样，称为纹波。

纹波可以是电压或电流纹波。

通常用2个参数来描述纹波：

最大纹波电压：纹波的峰峰值。

纹波系数：交流分量的有效值与直流分量之比。

开关直流电源纹波产生的原因

开关直流电源的纹波来自2个地方：

低频纹波：来自AC输入的周期，直流电源对输入的抑制比不是完美的，当输入变化，输出也会变化。

高频纹波：来自开关切换的周期，开关电源不是线性连续输出能量，而是 将能量组成一个个包来传输，因此会存在和开关周期相对应的纹波。

如果是线性直流电源，是没有开关纹波的，只有低频纹波。

高频纹波和低频纹波纹波的影响

最大纹波会决定输出的峰值，本来输出是稳定的某个电压或电流，由 于纹波的影响，使得输出的峰值比平均值高，这可能会损坏负载。

比如，对LED来说，过高的电流会减少LED的寿命。

过大的纹波系数会使得输出的能量不均衡平滑，从而偏离了直流输出 这个要求。

比如，对LED来说，过大的纹波系数会使得LED亮度变化，造成闪烁。

如果开关直流电源用来驱动电池，LED灯这种负载，低频纹波的影响更大， 如果是驱动IC这种高速型负载，高频纹波的影响更大。

纹波与噪声

纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动，而噪声是随机耦合到 输出上的高频信号，是不一样的。

直流电源的调整率

电源在使用时，有两个明显变化的外部条件：输入和负载。好的电源 应该在输入和负载发生变化时，依然能维持恒压或恒流。

将输入或负载变化时，输出偏离额定输出的程度称为调整率，比如输 入在最大最小值之间变化，测量输出的偏差比率，为一个百分比，比 如5%，就称为调整率为±5% 。

注意区分调整率和纹波，纹波是输出的动态特征，而调整率是让电源 工作在极限外部条件下，输出的极限偏差。

调整率类型

输入调整率

其他条件不变，调节输入时，输出的偏差，对于AC电源来说，是以AC线的 有效电压作为变化区间，比如以180~264作为上下限来变化。

有时还会调节AC的频率，来看输出是否有偏差，比如从47~63Hz区间。

负载调整率

其他条件不变，调节负载时，输出的偏差。

综合调整率

同时调节输入和负载，找出最差的偏差。

开关直流电源恒流的概念

LED恒流驱动

为什么照明用LED都是电流驱动？

LED是二极管，而二极管的PN结的正向导通阻抗是负温度系数，随着温度 的升高，二极管正向导通阻抗降低。

如果用恒压源驱动LED，随着LED工作，温度开始升高，温度升高后，正 向导通阻抗降低，由于I=U/R，电流升高，且由于功率P=U*I，功率也增加， LED发热更厉害，进一步刺激温度升高，陷于恶性循环，直到LED损坏。

恒压源驱动时，温度和电路是一对正反馈。

以照明LED都是恒流驱动，如果是非照明，LED几乎没有温升，此时可 以用恒压驱动。

恒流精度

恒流精度和其他电影的恒压效果一样，体现在几个方面。

当负载发生变化时，电源输出的电流的恒定程度。

在实际应用时，多个不同的LED串不可能阻抗特性完全相同，将这些不同的负载 接到电源上后，电流的误差就定义为恒流精度。

不光是多负载，同一个LED，温度不同时，阻抗特性也不同，不同温度下电流也 是有误差的，但这和前面的条件本质还是一样，都是负载变化。

因此在测试恒流精度时，需要使用电子负载，让负载在合理的范围内变化，测量 电压的电流误差。

当电源内部元件参数变化时，电源输出的电流的恒定程度。

这并不是标准的恒流精度的定义，但目前很多电源都是有这个要求，其中一个重 要的指标是储能元件，比如电感，或变压器，感值存在误差时，电源输出电流的恒定度

考虑到成本因素，储能元件在加工时偏差是很大的，所以，电源应当设计成对储 能元件的感值不敏感。

锂电池恒流驱动

便携式设备所用的锂电池，在不同电量的情况下，电压是不同的，以 手机所用的锂电池为例，电池在满能量时约4.2V，低能量时约2.5V。

如果使用恒压直流充电机对电池充电，当电池电量较低时，充电电流会极大， 相当于电压源接到电容上，会损坏电池。

损坏的原因是大电流带来的大发热。

为了限制大电流，目前的充电机都是使用恒流-恒压充电，当电池电压低时，使用恒流输出。

冲击与浪涌

冲击电流

如果负载为一个容性负载，将一个电压源直接加到负载上时，会产生 一个非常大的电流，这个电流就称为冲击电流。

过大的冲击电流会使得交流线上的保护电路识别为短路，会导致空气开关 跳闸，熔断保险丝等问题。

对于AC电源来说，将电源接到AC线上的一瞬间，AC电源本身就是一 个容性负载，假如此时电源的负载处在满负荷状态，且AC线正处在峰 值电压处，会产生最大的冲击电流。

浪涌（电压）

闪电，雷击等会在电网上制造时间非常短的高电压脉冲或者高能量脉 冲。

这种过压通常是由专门的保护器进行保护，比如浪涌放电器。

大功率设备断开或接入电网时，会使得电网电压上升或跌落。为了保护电源，有时会使用一个压敏电阻接在输入端。

压敏电阻的组织和其上的电压有关，当电压变高时，阻值降低。

为什么压敏电阻不能包含雷击等产生的脉冲，因为这种浪涌有可能是同时 出现在L线和N线上的。

开关直流电源的效率和待机功耗

效率和待机功耗

这两个概念很简单，但有一点需要厘清，就是直流电源在工作时，开关直流电源的效率与功耗的关系：

虽然待机功耗就是电源本身的全部损耗，但是在电源带负载时，电源 本身的功耗要大于待机功耗。

电源本身的功耗主要来自于电感/变压器的损耗，开关管的损耗，二极管的损耗，这些损耗都和切换频率有关，而目前的开关电源，在输出功率很低时，都会将频率降低以节能，所以电源本身的功耗在带负载工作时和待机时是完全不同的。

但是效率是随着负载消耗增加而升高的，这个很好理解，待机时效率为0， 而带负载时，电源本身功耗的增加跟不上负载消耗的增加。

开关直流电源的电容ESR

开关直流电源都需要在输出加一个电容，将切换电路投递过来的断续能量 平滑成稳定的线性输出，这个电容的重要性不言而喻。

一个非理想因素就是所有的电容都有等效串联电阻(ESR)，这个电阻会 导致一系列问题。

电容稳压的原理就是当VO电压上升时，吸入电流，将能量存储于电容，当 VO电压下降时，吐出电流，释放能量。这个过程中，电流始终流过ESR。

开关直流电源ESR导致的纹波

ESR是输出高频电压纹波的罪魁祸首，当电容储能和释能时，电流方向相反，因此输出在VO=VC+VESR，和VO=VC+VESR之间切换，ESR越 大，纹波电压越大。

开关直流电源电解电容ESR的危害

为了降低成本，通常输出电容会使用偏移的电解电容，但是电解电容 的ESR是较高的。

ESR大小：电解电容 > 钽电容 > 陶瓷电容。

对于电解电容来说，高纹波电压倒在其次，要命的是ESR会导致电容 发热，电流越大，发热越厉害，发热越厉害，电解电容的电解液蒸发 得越快，随着电解液的蒸发，ESR加大，发热更高，陷入恶性循环。

电解电容本身就寿命不高，是电源系统中寿命最短的器件，由于ESR导致的发热，会加快电解电容报废，所以开关电源随着时间的推移，纹波电压 会越来越大。

 

解决ESR的问题

解决方法是降低ESR阻值或降低流过ESR的电流，降低流过ESR的电流 比较麻烦，比较简单的方法是降低ESR阻值。

可以采用低ESR的电解电容替代普通电容，或者用多个电容并联来替代单 个电容。

多个电容并联的方法缺点是占用大量的空间，在小体积电源中应用受限， 所以有时会用陶瓷和电解电容并联的方法，甚至用一种多层陶瓷电容替代 多个陶瓷电容。

开关直流电源动态响应

通常动态响应特指电源的输入，负载阶跃变化所导致的输出被扰动后 恢复正常的过程。

AC交流电源的输入为不间断交流，一般不关心输入的阶跃变化，动态响应通常 仅限于描述负载在一定范围内变化时的响应。

通常定义空载为0%，满载为100%，然后用负载在某2个百分比之间的 切换来定义负载变化。

常用的负载变化有0-100,10-90,20-80,25-75，取决于应用，对于充电器这类 需要热插拔的应用，最大的变化在0-100。

动态响应的指标

动态响应一般有2个指标，一个叫过冲幅度，另一个叫稳定时间。

过冲幅度定义为输出偏离稳定值的幅度，有上冲和下冲。

稳定时间是负载开始变化到输出达到能接受的范围内的实际。

动态响应和阶跃响应

阶跃响应，指的是输入阶跃，输出跟着阶跃，也就是说输出要尽快的 变到目标值，而动态响应指的是负载阶跃，输出要尽快的稳定下来。 这两者在形式上不同，但本质是相同的。

以恒压输出为例，当负载突变时，为了维持电压恒定，需要调整电流，电 流调整的过程，通过负载就会表现出电压的波动，所以，负载的动态响应， 其本质就是负载-输出电流这个传递函数的阶跃响应。

动态响应的系统框图

 

将Load视为输入，IOUT和VOUT视为输出。

将Load视为输入后，REF就是固定值，整个系统 。

结束语

看了上面的一些直流电源的名称解释，是不是有种这些年在稳压电源圈白混几年的感觉呢，我第一次看也有这种感觉，最后想想，也没有什么，大家专攻方向不同，我们参加工作后，都是以实践为基础的，说的通俗一些就是干活的时间多，看理论的时间少了。所以多多的看看书，学习理论是必不可少的。