开关电源基础知识学习资料课件

开关电源基础知识培训资料开关电源基础知识培训资料工程技术研发中心 何爱平 2010.5.12 目录目录一、开关电源的基本概念二、开关电源最常用的三种拓朴电路三、典型反激式开关电源的电路分析四、开关的电源的工程设计五、开关电源常见的故障分析六、有关开关电源的概念问题七、开关电源的发展方向2024/6/17开关电源的基本概念开关电源的基本概念1-什么是开关电源什么是开关电源l什么是开关电源？什么是开关电源？开关电源是利用现代电力电子技术电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源中应用的电力电子器件主要为快速恢复二极管快速恢复二极管、肖特基二极管肖特基二极管和MOSFET，SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。l开关电源的三大特征开关电源的三大特征 1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态；2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流。l开关电源的种类开关电源的种类 分类方法多种多样。分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可。但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。又可分为离线式非离线式，反激式、正激式、半桥式全桥式，Adaptor/内置式开关电源open open frame等。l我们公司常用的是AC/DC开关电源，都是离线反激式，2W120W，有Adapter也有内置式。都由以下几部分组成：输入滤波器、整流、逆变器、输出整流器及输出滤波电路，控制电路保护电路等。2024/6/17开关电源基本概念开关电源基本概念2-线性电源线性电源PK开关电源开关电源l线性电源：线性电源：优点：线性电源将交流电先经工频变压器变压、再整流滤波，线性调整电路使输出稳定度很高、纹波很小，基本无干扰及噪声，技术成熟，在一定功率范围内有成本优势；缺点：调整管工作在线性状态，调整管上的压差，导致损耗大，效率低，3560%，很难满足能效指令；体积大笨重；当电源功率达到一定程度（1015W）时，其与开关电源相比已无成本优势；输入电压范围受限，只能用在降压条件下。l开关电源：开关电源：优点：体积小重量轻(线性电源的2030%)；效率高7095%,易满足各国的能效要求；输入输出电压范围宽，模块化。缺点：电路复杂、开发、制程难度较大，由于工作在高频（50K300K），干扰大、EMC难解决。总而言之，开关电源正逐渐取代线性电源，应用领域越来越广泛。2024/6/17开关电源基本概念开关电源基本概念3-主要技术指标主要技术指标输入要求；输入要求；1、输入电压范围，2、输入电压频率，3、额定输入电流，4、输入电压跌落及瞬间停电，5、浪涌冲击电流，6、静态功耗效率，能效标准，7、输入单相或三相制，单相分两线制或三线制（class，class)，8、保险管。输出要求：输出要求：1、额定输出电压，2、额定输出电流，3、稳压精度：电压调整率，负载调整率，纹波及噪声；4、瞬态特性：启动时间，保持时间，输出电压的上升时间、下降时间、过冲、欠冲。保护功能及附属功能：保护功能及附属功能：1、OCP，OVP，OTP，欠压保护，限功率；2、绝缘电阻、绝缘电压、漏电流。结构要求：结构要求：1、外形尺寸，2、外包装，3、安装条件，4、冷却方式，5、接口方式，6、重量，7、名牌。安规标准及安规标准及EMC标准：标准：1、认证标志，3C，UL，GS，PSE，2、EMI测试标准。使用环境条件：温度，湿度，耐震动冲击使用环境条件：温度，湿度，耐震动冲击寿命：。寿命：。MTBF，MIL-STD-217F，XXXX小时小时2024/6/17开关电源基本概念开关电源基本概念4专业术语专业术语SMPS-switch mode power supply 开关电源PCB-Print circuit board 印刷电路板PFC-power factor correction 功率因素校正PWM-Pulse width modulation 脉宽调制FET-Field effect transistor 场效应管MTBF-Meantime between failure 平均无故障时间NTC-Negative temperature coefficient 负温度系数SOA-Safe operating area 安全工作区UVLO-under voltage lockout 欠压锁定OCP-Over current protection 过流保护OVP-Over voltage protection 过压保护OTP-Over temperature protection 过温保护Irms.Iavg,Ir,Ip 电流的 有效值，平均值，纹波值，峰值EMC=EMI+EMS，电磁兼容RFI-Radio frequency interference 射频干扰100KHZ300GHZROHS-Restriction of hazardous substance2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路1BUCK Converter 工作原理工作原理l降压电路（Buck）其主要原件为：开关管SW、续流流二级管D、电感L、电容C和负载电阻RL。lON-Stage:当SW导通时，电流经S、L到负载，能量同时储存在电感中，输出平均直流电压Vo；2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路2BUCK Converter 工作原理工作原理lOff Stage:当SW 断开时，没有能量输入，输出到负载的能量来自电感，电感L电流方向不变，IL是下降的。感应电压使D上负下正导通续流，电容平滑输出电压；2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路3BUCK converter 基本公式基本公式lBuck的两个基本的公式 在电感电流连续模式CCM下：Vo=（Ton/T）Vin=D Vin L=（(Vin-Vout)*Vout）/(I*f*Vin)，这里的I一般取输出电流的1030%。2024/6/17 l升压电路（Boost）其主要元件：压控开关Q、二极管D、电感L、电容C和负载电阻RL。开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路4Boost Converter 工作原理工作原理2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路5Boost Converter 工作原理工作原理lOn Stage：Q导通时，输入电压Vin全部加在电感上，同时在L上储存能量，负载的电流全来自C放电；lOff Stage：Q截止时，电感L电流方向不变，电压反向，这时L上的电压为左负右正，L上的自感电压和Vin相加为输出电压Vo，所以Vo高于Vin，这个高电压经D一部分为R供电，另一部分为C充电。这里的D是阻碍C的输出电压给Q短路烧坏Q，这里的C在设计时要求大点，用CLC滤波，纹波更小。2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路6Boost Converter 基本计算公基本计算公式式l对于电感电流连续模式DDM：lVo=（Ton+Toff）/Toff）*Vin 又因Ton+Toff=T，所以：所以：Vo/Vin=1/（1-D）l计算L的公式很多，我们列出一个：L=Vin2*Ton/0.2Po=Vin2*Ton/0.2Io*Vo 也有人用：L=Vin*Ton/0.2Ii；这里也有人取：L=Vin*(Vout-Vin)/(I*f*Vout)2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路7Buck-Boost Converter 工作工作原理原理l其主要元件：开关Q、二极管D、电感L、电容C2和负载电阻。2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路8Buck-Boost Converter 工作工作原理原理l工作原理 1、当开关管Q导通Ton时，输入的直流电压Vi全部加在电感L两端，电感上的电压是上正下负，电感中的电流方向是由上向下流的，在原来的基础上线性增加，此时的电感储存能量；2、当开关管Q截止Toff时，电感中的磁能变成电能，电感L两端相当于一个电源变压器的绕组两端一样向外供电，电感中的电流方向与原来方向相同，仍由上向下流动，但电压极性是上负下正，这个负电压，通过二极管D整流和电容器C2滤波后，输出负的直流电压加在负载RL上。l特点：1、所谓反转式，就是输入电压的正负极性颠倒后输出。输出和输入相比可升可降。2、buck-boost 是唯一纯“反激”拓朴，即从输入到输出的所有能量必须先存储在电感中，其他电路都不具备此特性。2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路9Buck-Boost Converter 计算计算公式公式l输出电压为：Vo/Vi=-D/1-DVo/Vi=-D/1-Dl这里给出电感的计算公式：L=(Vin-Vout)/(I*f)*(Vout-Vin)总结：总结：如何区分以上三种拓朴？这取决于电感的连接方式。设置合适的参考地后，可以得到三个不同的端子，输入端，输出端，参考地。若电感一端与地连接，则得到BUCK-BOOST电路；若电感一端与输入端连接，则得到 BOOST电路；若电感一端与输出端连接，则得到 BUCK电路。2024/6/17开关电源最常用的三种拓朴电路开关电源最常用的三种拓朴电路9衍生电路衍生电路基于变压器的基于变压器的Converter：lbuck+Transformer=Forword Converter；lBuck-Boost+Transformer=Flyback Converter,简单，成本低，适合小于150W，目前我们公司所有的产品基本上都是反激式。注意变压器的同名端。特殊的反激式电路：RCC，QR。基本计算公式：Vo/Vi=Vo/Vi=（Ns/NpNs/Np）（D/1-DD/1-D）l Boost+Controller=PFC Converter；l LLC；l Full-Bridge Converter总结：理论深，公式多，但只要抓住以下两个纲就可以了。法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律（Lenz law)伏秒平衡法则伏秒平衡法则 2024/6/17典型反激式开关电源的电路分析典型反激式开关电源的电路分析1l实物照片 YJS120A：2024/6/17典型反激式开关电源的电路分析典型反激式开关电源的电路分析2l120W（YJS120A）电路原理图：2024/6/17常用反激式开关电源的电路分析常用反激式开关电源的电路分析 3-工作原理工作原理 电路构成：电路构成：1、输入部分：保险管，抗雷击的压敏电阻，抗浪涌电流的NTC，滤波电感-模电感、差模电感，滤波电容-X 电容、Y 电容，整流；2、PFC 部分：BOOSTER 电路,IC 控制电路组成 3、DC-AC 逆变器（核心）逆变器（核心）主要包括：变压器，开关管，PWM IC 及控制环路，保护电路，起动电路Snuber 电路 4、输出部分：整流、滤波、稳压 工作原理：工作原理：通市电，经起动电阻R32 R33 R34给电容C8充电到15V-UVLO(OFF)。IC 开始工作，输出PWM 脉冲，驱动MOSFET Q2导通，由于输出整流二极管D5、D6反偏截止，能量存储在变压器T2原边电感。当变压器原边电流上升到输出反馈的设定值，无输出脉冲，MOSFET Q2关断，D5、D6导通，进入反激阶段，能量从变压器原边传递到变压器次级，经整流滤波给客户负载供电。如此周而复始，直至关机或保护。变压器和电感的两套公式都适用于反激式电源变压器:V=L(di/dt)Vp/Vs=Np/Ns,Ip/Is=Ns/Np 开关管导通：从初级到次级输出计算。开关管关断：从次级到次级初级计算。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 1基本流程基本流程l首先根据客户的技术要求区分：首先根据客户的技术要求区分：标准产品的衍生品、全新的电源开发，走两条不同的开发流程l衍生品（衍生品（Modified）：基于成熟的电路，采用标准化元件l开关电源新产品的开发流程开关电源新产品的开发流程 Pilot样机EVT工程验证 DVT 设计验证 PVT试产；l开关电源的工程设计方法及步骤：开关电源的工程设计方法及步骤：1.电路确定及元件选型：PI 公司的一文献将反激式开关电源电路设计细分为35个步骤，可以简化为：设计输入条件（Vin,fs,Vo.Po,n,Z)选择拓扑及控制IC 反馈控制电路计算 输入存储电容反射电压Vor确定 变压器原边电流计算（Iavg，Ip，Irms，I）变压器计算(磁芯选择，匝数匝比，原边感量，线径及绕组排布）开关管Mosfet的选择 输出整流二极管的选型（Vr1.25 PIV，Id3 Io)输入要滤波电路输入整流桥（Vr1.25 1.414 VACMAX，Id2 IACRMS)输出电容及滤波电感的计算.2.PCB Layout；3.结构件设计：胶壳，散热片，绝缘件,名牌等；4.设计验证：功能测试、Hi-pot，电应力及热应力测试；5.EMI测试,安规认证申请；6.QE 验证：环境及可靠性试验；7.工程文件编制受控.；8.试产。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 2我的经验之谈我的经验之谈l高功率密度高功率密度Adapter设计核心目标：设计核心目标：能效，EMI。效率直接关乎电源产品的可靠性及寿命高效永远是电源工程师的追求。EMI的理论较飘渺，经验更实用。l应关注的三大节点应关注的三大节点：变压器设计，PCB Layout,，控制环路设计l叠代方法：叠代方法：计算和测试交替进行，快速接近最优点l寻找平衡点：寻找平衡点：成本与性能，EMI与效率，变压器的铜损及铁损平衡电源效率最高，例1、变压器原边电感过大、成本高易饱和，过小损耗大。例2、稳态性能越好动态响应速度变慢，等等。从某种意义上工程设计的目标是找平衡点，众多的变量需要折中、平衡，而不是走两个极端，这考验我们的智慧。l关注瞬态响应过程：关注瞬态响应过程：工程师通常关注稳态波形，而忽略瞬态响应波形。例如建立稳态的过渡过程-Power on Sequence and Power off Sequence,因为开机或关机瞬间其波形及器件所受的电应力和稳态完全不同，易出问题；或从一个稳态向另一个稳态转换过程，例如有轻载-重载-轻载切换，正常过程切换到保护状态（OCP，OVP，OPP，OTP，Brown out,短路）。注：保护状态属于稳态。l理论和经验；理论和经验；二者相互验证，理论和经验相得益彰。模拟电子，电力电子，电磁学，自动控制理论,电子测试技术，英语 积累丰富的经验-少走弯路。l收集足够的资料，跟踪新技术：收集足够的资料，跟踪新技术：专业英语得十分重要。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 3Flyback 电源两种工作状态电源两种工作状态 按变压器原边工作电流的工作状态分为电流断续工作模式（DCM）和电流连续工作模式(CCM),这两种模式有完全的不同两套 计算公式。l通常同一台电源（大于15W）在不同的条件下处于CCM或DCM，例如在相同负载下，随着输入电压又100Vac变换到240Vac，电源的工作模式由CCM 换到DCM；或在相同输入电压时，随着输出电流负载由小到大变化，电源的工作模式由DCM 换到CCM。当然对于小功率的电源（小于15W），可能只有DCM。CCM优点：较低的峰值电流，变压器和Mosfet导通损耗小。缺点：变压器原边电感大、较大规格的变压器，增加成本。DCM优点：较快的响应速度，环路设计简单，对次级整流管的速度要求不高。缺点：滤波电容承受的纹波电流大，MOSFET及变压器的导通损耗大。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 4反激式电源变压器设计步骤之一反激式电源变压器设计步骤之一l为何难？为何难？同时兼有变压器及储能电感两种角色，同时兼顾安规要求，能效要求，EMI，可制造性。磨中柱：80%以上的能量储存在气隙中。l前提条件：前提条件：1、按最差条件计算：最低输入电压，满负载，最高工作温度40。2、通常按CCM 计算；并假定，因易导致震荡3、fs 工作频率，导通时间Ton=D/fs、Vin(min.)输入滤波电容的谷底电压。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 5反激式电源变压器设计步骤之二反激式电源变压器设计步骤之二、Po(Max.)最大输出功率,粗略估算Po(Max.)=Po/n,或科学计算：变压器次级到输出 Po(Max.)=Po+Pocp+Pr+Pwl待计算的变量：待计算的变量：匝数,原边感量,线径 。l计算步骤计算步骤(简易简易)1确定变压器的型号：包括CORE、BOBBIN 的规格及材质 方法一、查磁芯供应商的DATASHEET选型曲线，方法二、根据积累的经验。查供应商提供的资料确定有效磁芯截面积Ae，B(max)依磁芯的材质及本身的温度度来決定，以TDK Ferrite Core PC40为例，100時的B(max)為3900 Gauss，考虑零件误差，所以 Open Frame电源 一般取30003500 Gauss之间，若所设计的power为Adapter(有外壳)应取3000 Gauss以下，若为高功率密度Aadapter则应取2700 Gauss以避免磁心因高温而饱合，一般而言磁心的尺寸越大，Ae越高，所以可以做较大瓦瓦的Power。通常PQ型是最优化的磁芯。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 6反激式电源变压器设计步骤之三反激式电源变压器设计步骤之三2原边电流Waveform,确定纹波电流=IR原边电流的平均电流Iav，峰值电流p，电流有效值Irms,纹波电流IR纹波系数KRP=IR/IP 根据经验2/3时,效率最高得出=Iav2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 7反激式电源变压器设计步骤之四反激式电源变压器设计步骤之四3、计算原边匝数及感量Np=Vin(min)Ton/B(max)AeLp=Vin(min)Ton/4、次级绕组、辅助绕组的匝数，气隙计算。5、线径的计算 电流密度：35A/平方mm，首计算绕组中电流的有效值。l变压器结构工艺确定变压器结构工艺确定 采用三重绝缘线结构，挡墙式结构因Bobbin窗口使用率低已很少用。l测试验证及反复叠代更改测试验证及反复叠代更改：1.代入公式验证2.示波器测波形:烤箱40最差条件老化2小时,如下图,表示变压器已进入饱和。2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 8反激式电源变压器设计技巧反激式电源变压器设计技巧l安规要求：挡墙结构和三重绝缘线结构，挡墙结构较少用l三明治绕法：减少漏感，减少损耗lLitz 绞线：解决集夫效应，提高效率。l内部法拉第电磁屏蔽，外部磁通带接地：解决EMIl同名端及起始端选择：“热点”、“冷点”布置解决EMI：与MOSFET 漏极连接的点，产生干扰多，是所谓的“热点”，与之连接的端子应作为一次绕组的起点，应将其绕作骨架上的第一层，这样外层可以屏蔽内层发出的干扰磁场。l绕组的排布：见右图l磁芯选择：材料及形状，气隙不要放在磁性外柱。l铜损和铁损如何计算l四大目标：效率，EMI，安规，易制造2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 9关键元件的选型之一关键元件的选型之一l输入存储滤波电容输入存储滤波电容BULK CAP 选型选型 Cin-同时工作于高频及低频 直接关系到变压器的计算，及保持时间。容量越大越有利于变压器的效率及保持时间。1、电容容量/电压选择经验公式：无PFC，最高工作电压Vin（max.)=1.414 Vac(max.)2、因该电容直接影响电源的寿命：所以其寿命是重要参数，普通的2000HRS，长寿命的500010000HRS，关注电容的系列号。l开关管开关管Mofet 的选型的选型封装漏源电压 BvdsVin max+Vor+50v漏极电流 Id 4Ip rmsRds(on)：漏源导通电阻mRQg：栅极电荷 ncEas：雪崩能量 mj电应力、热应力测试验证2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 10关键元件的选型之二关键元件的选型之二l输出整流二级管：输出整流二级管：最高反向峰值电压 Vrrm1.25 PIV，PIV=Vo+374 Ns/Np 最大正向平均电流 Iav3 Io，Adapter Iav4 Io 反向恢复时间 正向压降Vf：越小越好，减少损耗。优先选用肖特基二极管：尤其低电压大电流的场合，损耗小。l输出滤波电解电容输出滤波电解电容 二次侧第一级滤波电解电容，应使用内阻较小的电容(LXZ，YXA)，并且选择多个电容并联的方案，以减小纹波提高寿命。电解电容选择是否合理，用以下三标准判定：1、输出Ripple电压是否符合规格；2、电容温度是否超过额定值；3、电容电压是否超过额定值。l输出第二级输出第二级LC滤波滤波LC滤波为第二级滤波，在不影线路稳定的情況下，一般地，电感L为uH级的棒形或工字形电感，如此C12可使用较小的电容值。l反馈控制电路选择方法反馈控制电路选择方法 2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 11挑战挑战EMI基本概念：基本概念：EMI：电磁干扰,EMC：电磁兼容EMS：装置对对电磁场敏感度。主要标准：EN55022，EN55024差模噪声和共模噪声大多数国家的安全和EMC标准通常是合在一起的。开关电源解决开关电源解决EMI 的技巧：的技巧：从源头减少干扰产生为主动方式，切断干扰传播渠道、衰减抑制干扰为被动方式。lPCB：地线布置；高频大电流环的最小化；短比粗好。l变压器：前面已讲，非常重要。lMosfet 驱动电路：l滤波元件：输入共模电感，差模电感，输出共模电感，X电容，Y电容l钳位电路缓冲电路l改变工作状态l磁珠的应用l地线穿磁环l输出线穿磁环lEMI是颇具挑战性的领域，部分原因是它涉及到许多难以量化的寄生参数，实践很强的工作，经验积累很重要。EMCEMIEMSConducted RadiatedCSRS2024/6/17开关电源的工程设计开关电源的工程设计 12应重视而常被忽视的问题应重视而常被忽视的问题l客户的技术要求l可靠性试验lDFM-design for manufacture,可制造性lDFT-design for testing，可测试性l材料认可标准化l人机工程。l电子测试带来的误判2024/6/17开关电源的发展方向开关电源的发展方向l高频、小轻薄，高效低待功耗，低噪声抗干扰，模块化-组成模块化的分布式N+1容余开关电源系统。l开关电源高频高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。l基础技术领域的研究：新材料，新器件，新工艺，新技术，新试验方法；例如为了小型化，提高频率，高性能的磁性材料，电解电容的小型化，SMT技术，提高效率ZVS、ZCS。l低碳时代绿色环保给开关电源的发展机遇：举两个例子：电动汽车，充电站，核心开关电源+管理保护电路。疾速充电系统。LED路灯LED照明用开关电源，目前正如火如荼地进行，效率、长寿命。2024/6/17 开关电源在音响系统中的应用开关电源在音响系统中的应用工程技术研发中心 何爱平 2011.4.6 目录目录一、引言：电源在音响系统中的重要性二、高频开关电源与工频线性电源优缺点对比表三、针对音响系统-电源的相关标准。四、针对音响系统-高频开关电源的关键性能指标五、针对音响系统-高频开关电源特殊设计六、开关电源与线性电源在音响应用的实际表现对比七、结论2024/6/17一一、引言：电源在音响系统中的重要性、引言：电源在音响系统中的重要性l 电源部分是整个音响系统的基石。系统中的各种电路，归根到底都是电源的调制器，对原始信号进行各种各样的变换处理后输出。其能量都由电源提供。电源供电的质量，直接决定着整个系统的最终性能级别，对于音响系统设计，电源的重要性日益突显，目前电源部分在整个系统中的地位和造价也在不断升高。l音响系统中的电源不外乎线性电源及开关电源两类，二者工作原理完全不同，因此二者在音频领域中的表现，自然受到音响设计者和音响使用者的关注。l 在功放中，由于功放的大功率、大动态特性，通常采用简单的线性电源，即工频变压器加简单的整流滤波电路后供电路使用。只有要求高的场合才对推动级也稳压供电。一般高保真音频功率放大器使用的电容滤波整流电源必须使用大容量变压器才能保证较高的性能，因此电源系统存在体积大、质量重、成本高等问题。设计良好的线性稳压电源，具有很高的性能，并可在一定程度上减轻电源系统的质量。但由于稳压电路必须使用优质元件，这会进一步降低电源的性价比。同时，稳压电路中的功率管因为工作在放大区，消耗的功率较大，会导致电源系统效率的下降。l高频开关电源具有体积小、质量轻、效率高的特点，因而在电子产品中获得了广泛应用。但由于一般的开关电源在音频功率放大器中的表现并不尽如人意，因此它一直没能在高保真音频功率放大器中获得广泛应用。深入分析开关电源在音频功率放大器中表现欠佳的原因，是开发音频专用开关电源的关键。实践证明，基于对音频功率放大器电源的特殊要求和开关电源特点，采取针对性措施设计的开关电源，在音频功率放大器中表现得很优秀。实验和主观听音评价都表明，它完全可取代其他形式的电源成为音频功率放大器电源的主流。近年来，开关电源越来越多地受到关注，与D类功放相互呼应，被称为未来功放的理想电源。2024/6/17二二、在音响类应用中开关电源的有关标准在音响类应用中开关电源的有关标准电源应符合的标准：AV类产品申请CE.要测EMI,EMS和LVD三部分.lEMI部分：EN55013;lEMS部分：EN55020;l安规部分LVD：标准EN60065，GB8898 lEN61000-3-2，A类，无高PF值得要求。2024/6/17 三、音响系统三、音响系统-线性电源线性电源PK开关电源开关电源能效体积重量性能成本保护功能EMC设计难度线性电线性电源源差（1）输出电压纹波小，（2）不易提高PF，输入谐波电流大，（3）静态特性优。高一般优，EMI及EMS易解决易开关电开关电源源优（1）输出纹波噪声大，（2）易提高PF，输入谐波电流小，成熟的主动PFC电路。（3）瞬态特性优，动态响应快。低优差，EMI及EMS不易解决难度大 二者，体积重量及效率对比，大家一目了然，不想赘述，笔者设计的一款300W开关电源，待机功耗0.2W，效率89%，重量0.7Kg，材料成本约90元RMB。而相同级别的线性稳压电源，待机功耗10W，效率50%，重4.8kg，材料成本约190元RMB。目前，开关电源能轻易实现待机功耗小于0.3W，效率大于90%，这就决定了其在目前世界节能潮流中的地位。2024/6/17 四、音响系统四、音响系统高频开关电源关键性能指标高频开关电源关键性能指标 静态性能指标：输出电压的负载调整率和输入电压调整率，输出电压的纹波噪声。对音响而言最关键的是纹波噪声，可用示波器抓波形，右图是一典型的反激式电源的波形。其是三种资讯的叠加：（1）低频纹波，一般为 不对称圆角三角波，频率是输入工频的两倍100Hz；（2）高频纹波，一般为 不对称圆角三角波，频率是PWM频率，一般为50K200KHz。（3）高频干扰，一般为 不对称脉冲波，频率大于PWM频率，是电磁干扰的来源。对音响而言，应关注低频纹波，后两者远远落在音频范围之外，故不会对音频功率放大器的工作造成影响。2024/6/17 四、音响系统四、音响系统高频开关电源关键性能指标高频开关电源关键性能指标 动态特性：主要体现开关电源的输出电压外部因素的变化（例如输出负载、输入电压）的响应特性，包括速度、过冲、振铃等；可以通过示波器抓到。保护功能：输出过流、短路、过压，过温、输入欠压，等保护功能可用附加电子电路实现。电磁干扰，主要是EMI，包括传导和辐射，通常控制在低于相关标准6dB 以上。EMS 测试较容易通过。2024/6/17五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计 1 音频功率放大器音频功率放大器100/120 Hz纹波的测试及抑制策略纹波的测试及抑制策略l开关电源首先直接对交流电进行整流滤波，然后再进行开关变换、二次整流、PWM控制稳压。在整个过程的前端会产生频率为100 Hz的纹波，这种可能对声音造成污染的纹波分量的大小是反映电源品质的一个重要指标。由于滤波电容一般都用得不是很大(2 000F左右)，重负荷时前端产生的纹波是比较强的，虽然在后面的过程可消减这种纹波，但并不能完全消除它。例如笔者作过一试验：纹波的P-P值约为50mV，虽然比线性稳压电源高了5倍，但仍然很小，特别是在负载电流比较小的情况下纹波更小，试验结果表明，将该开关电源实际应用到晶体管音频功率放大器中去时，并不会造成100 Hz的交流声干扰。l解决方案：（1）电源的初级整流后，选用大容量的电解电容滤波，并采用多个并联的方式。（2）改善控制反馈电路，消除轻载低频振荡、及次谐波振荡。（3）采用无Y 电容设计，跨接于初次级的Y电容可把音频范围内的低频纹波和干扰传导到电源的输出端。Y 电容的主要作用是抑制高频（1MHhz）共模干扰，可通过优化变压器及PCB LAYOUT,来达到有Y电容的EMI效果。2024/6/17五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计2 音频功率放大器音频功率放大器开关电源电路拓扑形式的选择开关电源电路拓扑形式的选择音频功率放大器电源要求功率储备量大，只有这样才能应付交响乐巨大的动态；同时由于经常处于负载的迅速变化中，电源的反应速度必须非常快，才能还原那些猝发性的高频信号。大的功率储备量和高反应速度大的功率储备量和高反应速度是设计音频功率放大器专用开关电源的两条基本原则。通常的开关电源没有在这两方面做出特别的考虑，这正是它们无法适应音频功率放大器的根本原因。事实表明依照这两条原则设计出来的开关电源，在音频功率放大器中的表现是优秀的。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。半桥式变换器半桥式变换器电路因为比普通单端式电路输出功率大得多，比较适合在瞬时输出功率大、动态范围大的音频功率放大器中使用，此外高频变压器初级在整个周期中都流过电流，能防止高频变压器磁芯出现单向偏磁发生磁饱和，磁芯体积利用得更加充分，在同样的功率下磁芯可用得更小。同时它又克服了推挽式电路的缺点，对功率晶体管配对程度要求较低，对晶体管耐压和输入滤波电容耐压要求也比较低。加上它比全桥式变换器结构简单、成本低，所以它是音频功率放大器开关电源首选的变换形式。2024/6/17 五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计3 音频功率放大器音频功率放大器开关电源反馈控制的设计开关电源反馈控制的设计开关电源的稳压是通过调节功率开关管的占空比来实现的。常用的改变占空比的控制方式有2种：即脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)和脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)。脉冲宽度调制器 改变脉冲宽度，从而改变功率晶体管的导通时间，以此稳定开关电源的输出电压。脉冲频率调制器则保持导通时间不变，自动地改变频率而改变占空比。由于频率控制方式的工作频率是变化的，后续电路滤波器的设计比较困难，因此，音频功率放大器的开关电源也与绝大部分的开关电源一样，适宜采用PWM控制控制。目前大多数开关电源控制IC，均采用采用电流模式电流模式，即同时拥有两个反馈环，一个是检测调整输出电压的电压外环，另一个是检测开关功率管电流且具有逐周限流的内环。电压外环基本工作过程为：当负载电流变化引起输出电压微小变化，而误差放大器探测到这个微小变化，经过IC 处理后，调节功率管的导通时间以保持输出电压恒定。这种控制方式与线性稳压电源存在相似的缺点：误差放大电路会影响电源的瞬态响应，当负载迅速变化时因调控网络的滞后，电源输出电压会出现瞬间下跌,所以并不适合于音频功率放大器。即电压外环高精度，但缺点是响应速度慢。电流内环，如果将输出负载变化或输入电压变化导致的变压器原边电流变化，直接加到PWM IC，利用它控制脉冲宽度，从而调整输出电压，就跳过了误差放大环节，电源的反应速度将大大提高，瞬态响应(达10s级)要远优于电压型控制电路(仅ms级)。电流控制比较难实现高精度。因此，电流模式开关电源是适合音频功率放大器的。根据反馈控制理论，开关电源的稳态态特性和动态特性是相矛盾的，工程师需依据具体案例作优化和折中，所用到的BODE 图法是1945年出现的，理论上十分成熟。2024/6/17 五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计 4 音频功率放大器音频功率放大器开关电源的电磁干扰开关电源的电磁干扰EMI并不是主要问题并不是主要问题 一般认为，开关电源的电磁干扰是影响其音质表现的主要因素，然而通过对这些干扰频率成分的分析，可以发现这实际上是一种误解。开关电源电磁干扰的形成有多种原因，主要包括如下几个方面：(1)输入电路的电磁干扰工频交流电经过整流滤波后是以导通时间短、峰值大的脉冲电流方式提供能量的。这种脉冲电流包含一系列的谐波分量。这些谐波分量会沿着传输电路产生传导干扰和辐射干扰。然而这种干扰并不是开关电源所特有的，它也出现在一般的使用电源变压器的电容滤波整流电路中。因此这并不是开关电源的主要干扰。(2)开关回路产生的电磁干扰开关回路产生的电磁干扰是开关电源的主要干扰源之一。开关电源的功率变换管工作在大电流开关状态，其变换波形为矩形波，开关功率晶体管开启和关断瞬间矩形波会产生畸变，由于矩形波具有丰富的奇次谐波，因此，会产生特有的谐波干扰。开关功率晶体管负载是高频变压器，由于高频变压器的初级线圈与储存在开关管寄生电容中电荷的作用，在开关管导通的瞬间，会造成一种幅度较大的尖脉冲，叠加在矩形波的起始部分，其频带较宽且谐波丰富，会产生高频干扰其频带较宽且谐波丰富，会产生高频干扰。当开关管关断时，由于变压器的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的这部分能量将和集电极(或漏极)电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，其特点也是谐波丰富，并且频率很高特点也是谐波丰富，并且频率很高。这些谐波干扰可以传导到输入输出端对电网和负载形成传导干扰传导干扰。另外，他们由高频开关电流环路会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰辐射干扰。2024/6/17 五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计4 音频功率放大器音频功率放大器开关电源的电磁干扰开关电源的电磁干扰EMI并不是主要问题并不是主要问题(3)二次整流回路产生的电磁干扰二次整流回路一方面会产生和一次整流回路类似的谐波干扰，但由于变换频率远高于工频，因此这种干扰的频率要高很多。另一方面二次整流二极管在正向导通时会使PN结内 的电荷积累，二极管加反向电压时积累的电荷会消失并产生反向交流。要在短时间内使存储的电荷迅速消失就会有很大的反向浪涌电流流过变压器，在变压器漏感和其他分布参数的影响下，也会形成频率很高的电磁干扰。纵观这些干扰，可以看到，这些电磁干扰都是一些超过电源开关频率的高频干扰。电磁兼容性不好的开关电源确实会影响收音机、电视机、移动通信设备等无线电设备的正常工作。但如果将开关频率设计在100 kHz以上(采用MOS管一般可将开关频率做到200 kHz)，即使对这些干扰不采取特别的措即使对这些干扰不采取特别的措施，也不会影响到通频带相对比较窄的音频功率放大器的正常工作。施，也不会影响到通频带相对比较窄的音频功率放大器的正常工作。2024/6/17 五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计4 音频功率放大器音频功率放大器开关电源的电磁干扰开关电源的电磁干扰EMI并不是主要问题并不是主要问题 开关电源的电磁干扰一直非常受到关注，针对音频系统，应采用特殊的设计。事实上，正因为开关电源存在各种各样的电磁干扰，在开关电源几十年的发展过程中，人们也在降低其电磁干扰方面做出了很大的努力。目前开关电源抑制电磁干扰技术成熟，主要有：通过吸收电路降低电路中电压和电流的变化率；使用软开关技术修正变换波形；使用EMI滤波技术抑制开关电源的传导干扰；选择合适的驱动电路，控制开关开启和关断时电压和电流的变化率；优选元器件(包括功率管、二极管、变压器等)；进行合理的PCB布局、布线及接地，减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰；加强屏蔽等措施。设计出符合EMC(电磁兼容)标准的开关电源已不难，只是要花时间去测试。2024/6/17 五、音响系统五、音响系统-高频开关电源特殊设计高频开关电源特殊设计5 音频功率放大器音频功率放大器开关电源的瞬态交流负载特性测试开关电源的瞬态交流负载特性测试 电源的瞬态交流负载特性比其静态负载特性更能反映电源性能。通过对它的测试可以清楚地反映电源的动态特性，并能计算电源在各种情况下的动态内阻。据有关文献：测得分别为50 Hz，500 Hz，5 kHz，50 kHz时正电源电压的瞬间变化情况。计算结果表明，随着负载频率的增大，开关电源的计算结果表明，随着负载频率的增大，开关电源的动态内阻会明显减小。动态内阻会明显减小。当频率为20 Hz，50 Hz时开关电源的内阻约为文献 中的线性稳压电源内阻的2倍，500 Hz时开关电源的内阻约为线性稳压电源内阻的1.3倍，当频率为5 kHz时开关电源的内阻下降到线性稳压电源内阻的24，50 kHz时的内阻只有线性稳压电源内阻的10左右。这表明这款开关电源有着极低的高频内阻(在频率为50 kHz时电源内阻只有10-3数量级)。电源之所以具有这种频率特性，很可能与PWM电路的动作还受到It(电流变化率)的影响有关。虽然电源的低频内阻线性稳压电源来说是高了一些，但相对于传统的电容滤波全波整流电路仍然是非常小的。因此可预计，这款开关稳压电源在高保真音频功率放大器中将会有良好的表现。2024/6/17六、音响系统六、音响系统工频线性电源与工频高频开关电源的实际工频线性电源与工频高频开关电源的实际表现表现实际试听表现：实际试听表现：某文献记载：试听用器材，放大器 不失真功率 288 W。开关电源（250W）的输出电压高达70.88 V，用它驱动OCL功率放大器。实测这款采用了失真校正技术的功率放大器在200W功率输出时1 kHz非线性失真小于0.007。对比电源是 500W变压器为核心组建的传统电容滤波桥式整流电源，变压器次级使用双49 V抽头，滤波后空载直流电压约为68 V，与开关电源电压接近。试听节目源包括大编制交响乐、弦乐、美声、通俗等各类优质CD片源。(1)静态对比 将功率放大器的静态电流调到200 mA左右，不管是用传统的电容滤波桥式整流电源供电还是用开关电源供电，静态时背景都非常宁静，将耳朵贴近低音扬声器也听不到交流声，但将耳朵贴近高音扬声器能昕到均匀的高频噪声。如果将功率放大器的静态电流调到1.5 A左右，使用传统的电容滤波桥式整流电源供电时，耳朵贴近低音扬声器可以听到交流声。但使用开关电源供电时依然听不到交流声。究其原因，在于电容滤波电路的纹波分量会随负载的加重而变大。而采用开关电源时虽然负载加重也同样会导致一次整流滤波后的纹波分量变大，但后面的变换、稳压电路则可降低纹波，使得负载加重时纹波的变化不明显。2024/6/17六、音响系统六、音响系统工频线性电源与工频高频开关电源的实际工频线性电源与工频高频开关电源的实际表现表现(2)动态对比通过播放各类节目源，进行反复的A，B对比，可以发现用开关电源供电时在低音的冲击力、宽松度、形体感；中音的密度、纯净度；特别是高音的穿透力、细腻度各个方面都明显胜出。而且没有任何开关干扰影响音质的迹象。特别是对大编制交响乐，用开关电源供电时，在乐曲的高潮部分，虽然管弦乐齐奏发出巨大声响，但还可清晰地听到那些微弱的声音，如翻乐谱的声音、演奏者的气息声等，令人感到细节丰富、声场定位准确、临场感强烈。特别是对那些近年来录制的SACD片源，在大动态时能感受到整个乐队演奏背景非常宁静。而用传统的电容滤波桥式整流电源供电，则必须集中精力去捕捉才能发现一些微弱声音，高潮时声场定位变得模糊，整个乐队演奏背景宁静度严重下降，使人感到演奏似乎是在一个比较嘈杂的环境下进行的。如果将开关电源与线性稳压电源进行中小音量对比，发现它们的区别很小，一般没有经验的人很难听出它们的差别，但高保真音响爱好者在A，B对比的情况下还是能发现它们的细微区别，例如用线性稳压电源供电显得低音鼓的例如用线性稳压电源供电显得低音鼓的声音要浑厚一些，声音的尾韵要略长，用开关电源供电则显得低音收得稍快，声音要浑厚一些，声音的尾韵要略长，用开关电源供电则显得低音收得稍快，低音乐器的位置显得稍偏高一点。低音乐器的位置显得稍偏高一点。在中高音区，用线性稳压电源供电在声音的圆润度方面略好，开关电源在解析力方面略强。总体来看虽然风格稍有不同，但没有高下之分，两者的表现相当，处于同一个层次上。2024/6/17p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日