电源的分类

目录

按电压转换类型分类:

按转换原理进行分类

AC/DC的线性电源与开关电源

DC/DC的线性电源与开关电源

按是否隔离进行分类:

开关电源的调制方式:

PWM

PFM

PSM

开关电源的CCM、DCM、BCM模式

同步与非同步电源


按电压转换类型分类:

AC/DC:输入50/60Hz交流电,需整过整流滤波,所以体积较大的滤波电容器不可少,同时需要受到安全标准(如UL、CCEE等),以及EMC之类的限制(如IEC、FCC、CSA等),交流输入这一侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,限制了AC/DC电源体积的小型化。

DC/DC:如线性电源、buck、boost

DC/AC:又称逆变器或逆变电源。为保证直流电源为恒压源或恒流源,在直流电源的输出端需要配有储能元件。若采用大电容作为储能元件,能保证电压的稳定。若保证大电感作为储能元件,保证电流的稳定。

根据逆变电路结构不同,可分为半桥式、全桥式和推挽式逆变电路

根据所用电力电子器件的换流方式不同,可分为自关断、强迫换流、交流电源电动势环流和负载谐振环流逆变电路等。换流就是电流从一条支路换向另一条支路的过程。换流是为了有效地对电能进行变换和控制。电力电子是按既定时序工作的大功率开关电路。

由于负载的控制要求,逆变电路的输出电压(电流)和频率往往是变化的,根据电压和频率控制方法不同,可分为脉冲宽度调制(PWM,Pulse Width Modulation)、脉冲幅度调制(PAM,Pulse Amplitude Modulation)、以及用阶梯波条幅或用数台逆变器通过变压器实现串并联移相调压的方波或阶梯波逆变器。

按转换原理进行分类

AC/DC的线性电源与开关电源

早期很多电源适配器比较重,其转换原理就是AC/DC线性电源,内部使用的是工频变压器。先用变压器对交流电压降压,再整流。

当出现高反压的晶体管后,就可以直接整流、滤波后输出,不在需要使用工频变压器先降压,AC/DC开关电源体积与重量大为减小,使开关稳压电源做到效率高、体积小、重量轻。

同时频率越高,变压器体积越小。因为:变压器铁芯材料都有饱和磁场强度限制,所以磁场的峰值都有限制,而交流电的电流、磁场强度、磁通量都是正弦信号。同样幅度的正弦信号,频率越高,信号的变化率的峰值也越大(正弦信号过零的瞬间是变化率的峰值,而信号在峰值时变化是0),同时感生电压又是由磁通量的变化率决定的。同样的每匝电压,频率越高,需要的磁通量的峰值就越小。但是前面提到磁场强度峰值是有限制的,故磁通量要求小了,铁芯的横截面积就可以小。假如工艺小一些,电流也小一些,允许的导线细一些,电阻稍大一些,就允许增加匝数。这样,每匝的电压也就减小了,同样可以减小磁通量的要求,进而减小变压器体积。如果采用更高饱和磁场强度的材料,也可以减小体积。

根据麦克斯韦方程,变压器线圈内感生电动势E为,也就是磁通密度B随时间的变化率在N个面积为Ac的线匝的积分。

对于变压器,变压器原边的感生电动势E与输入侧加的电压U可以认为是线性关系。在变压器输入侧的U幅值不变的前提下,可以认为E幅值也不变。

当频率提高后,在刺痛密度B峰值变化不大的前提下,每个周期内的磁通密度变化率dB/dt是大幅增加的,因此可以用更小的Ac或N实现相同的感生电动势E。

DC/DC的线性电源与开关电源

与线性电源相比,响应时间慢、效率高、噪声高、可以隔离、在高功率上成本有优势。存在开关噪声,需要良好接地。

按是否隔离进行分类:

概念与优缺点:隔离电源指电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接,输入与输出之间是绝缘的高阻态,没有电流回路。非隔离是输入回路和输出回路之间有直接的电气连接,例如输入输出共地。

非隔离电源主要有buck、boost、buck-boost等。结构简单,成本低,效率高,但安全性差。隔离电源主要有各种带隔离器变压器的反激、正激、半桥等。电磁抗干扰能力强,可靠性高,但成本高,效率低。

应用场合:系统前级的电源,为提高抗干扰性能和可靠性,一般用隔离电源;电路板内IC和部分线路供电,从性价比和体积出发,一般用非隔离电源;对安全有要求的场合,如市电的AC/DC,或医疗电源、需要用隔离电源;对于远程通信的供电,为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响,一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。如RS232、RS485和控制器局域网等物理网络。对于外部的IO端口,为了保证系统可靠运行,可以对IO口做电气隔离

电源的隔离耐压在GB 4943国标中又叫抗电强度,GB 4943标准就是我们常说的信息类设备的安全标准。

开关电源的调制方式:

开关电源常见的三种调制方式:PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)、PFM(Pulse Frequency Modulation,脉冲频率调制)、PSM(Pulse Skip Modulation,脉冲跨周期调制)

PWM

PWM:定频调宽,开关频率保持恒定,通过改变每一个周期内的驱动信号的占空比来达到调试的目的,是最常用的一种调制方式。

优点:输出纹波电压小、频率特性好、线性度高,并且在重负载情况下有比较高的效率;PWM从处理器到被控系统,信号都是数字形式的,进行数模转换即可;可将噪声影响降到最低。

缺点:轻负载下效率低,同时由于误差放大器的影响,回路增益和响应速度会受到影响。

PFM

定宽调频。当输出电压发生变化时,通过环路的调整,使脉冲出现的频率发生改变。

优点:在轻负载情况下,效率很高,并且频率特性好。但在重负载情况下效率明显低于PWM,并且由于其纹波的频谱比较分散,没有多少规律,这使得滤波电路的设计变得复杂。

PSM

定频定宽,在负载变轻时驱动信号会跳过一些开关周期。通过改变跨周期出现的次数来实现对系统的调整和控制。其有效频率f由负载决定。

一般来说,电源控制器以PWM为主,PSM和PFM主要在轻负载应用场景下可以获得更高的电源效率。功率集成电路(Power Integrated Circuit,PIC)的节能模式采用了PSM,可以克服PWM在轻载时效率低,PFM频谱分布随机的缺点。

开关电源在开关管上的损耗主要分为开关损耗和导通损耗。在开关管相同的情况下,导通损耗相同,与控制模式无关。但在轻负载的时候PFM/PSM的频率下降了,那么开关损耗就变小了。同时要避免产生的低频分量20KHz以下被人耳听到。

应根据电路的应用情况合理选择,或者选择支持多重模式的芯片

开关电源的CCM、DCM、BCM模式

该图中,设置输入电压12V,输入电容33uF,控制脉冲电压是12V,上升时间500ns,下降时间500ns,脉宽是4us,周期是10us,输出电感10uH,输出电容100uF

CCM(Continuous Conduction Mode,连续导通模式):在一个开关周期内,电感电流从不会达到0或者说电感从不"复位",意味着开关周期内电感磁通量从不会达到0,功率管开关闭合时,线圈中还有电流流过。
CCM电感电流波形图

DCM(Discontinuous Conduction Mode,非连续导通模式):在开关周期内,电感电流总会达到0或者说电感被"复位",功率管开关闭合时,电感电流为0。

BCM(Boundaries Conduction Mode,边界或边界线导通模式):控制器监控电感电流,一旦检测到电流等于0,功率管开关立马闭合。控制器总是等电感电流"复位"来激活开关。如果电感电流高,而截止斜坡相当平,则开关周期延长。BCM变换器时可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式(Critical Conduction Mode)。

三种工作模式的特点:

输出电流,输出电流和输出电压与负载有关,但是输出的纹波电流与负载的大小无关,与电感值、输入电压、输出电压、占空比有关

开关点SW电感电流和电压仿真波形如图所示:

非同步控制器的降压变换器Buck工作于CCM,会带来附加损耗。因为续流二极管反向恢复,需要电荷流入二极管,这个过程需要时间。同时在二极管反向恢复过程中,会产生损耗,这对于功率开关管而言时附加的损耗负担。负载为2Ω

BCM是一种特殊的CCM,即电感电流最小值为0,此时把负载调为3.6Ω,这样让纹波电流压着0,形成一个临界的状态。(前面出现的杂波应该是一个稳定过程,推测暂未证实)

把负载继续增大,直到,将进入DCM模式,负载为8Ω

电感纹波电流为

工作于DCM模式,能降低功耗,转换效率更高些,但DCM模式会产生振荡现象,其频谱更复杂,会导致难以掌控的EMI问题,并且可能由于音频信号的产生而导致电感啸叫。

工作于CCM模式,输出电压于负载电流无关。输出电压受负载影响,为了控制电压恒定,占空比必须随着负载电流的变化而变化。对于上述电源,由于二极管不可能产生反向电流,所以当电流等于0之后,二极管不在进行续流。但是对于有的电源用MOSFET替代二极管,可能会保持CCM状态,有可能产生负电流,也可能这里增加电流检测,让电源进入DCM状态。

同步与非同步电源

电路中,上管和下管都是用MOS管就是同步的,只有一个上管而没有下管,或者是由一个二极管替代下管位置的,就是非同步的。

因为在非同步电源中,下管是一个二极管,不需要控制,也就不存在控制器同步的问题。

对于同步电源而言,MOSFET有一个导通电阻Rds(on)。一般的MOS管的导通电阻非常小,阻值大约几毫欧姆,所以MOSFET的导通压降比较低。而且同样条件下MOS管的导通电压远小于二极管的导通压降,在电流不变的情况下,MOS管的能量损耗要小,所以同步电源的效率要高。

同步电路的缺点是:对下管的控制需要额外的控制电路,使得上下MOS管的时序能够同步(上管打开时下管关闭;下管打开时上管关闭)。

对于非同步电源来说,由于输出电流在变化时二极管的压降恒定,二极管的功率等于电压*通过他的电流值。在输出电压很低的情况下,二极管的小店呀占据了非常大的比重,消耗的功率就非常大,所以在小电压的情况下,效率就低。

在早期半导体制造还不成熟的时候,二极管的价格要比MOS管低。所以在输出电压比较高的时候,二极管正向导通的电压所占的比重很小,对效率的影响就没那么大。

同样,Boost及其他拓扑的电源都有同步和非同步的两种电路实现方式。目前,同步占比越来越大。

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