开关电源概念：纹波、噪声、电解电容、恒流

今天分享开关电源的一些概念。

01 

纹波与噪声

1、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： 1）最大纹波电压：纹波的峰峰值。 2）纹波系数：交流分量的有效值与直流分量之比。

2、纹波产生的原因

开关电源的纹波来自2个地方： 1）低频纹波：来自AC输入的周期，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。 2）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。 如果是线性电源，是没有开关纹波的，只有低频纹波。

3、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。  

4、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。

02 调整率   1、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。

2、调整率类型
1）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。 2）负载调整率 其他条件不变，调节负载时，输出的偏差。 3）综合调整率 同时调节输入和负载，找出最差的偏差。    

03 恒流   1、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。 所以照明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。  

2、恒流精度

恒流精度和其他的恒压效果一样，体现在几个方面。 1）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。   2）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。   3、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。 如果使用恒压源对电池充电，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，目前的充电器都是使用恒流-恒压充电，当电池电压低时，使用恒流输出。  

04 冲击与浪涌   1、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。

2、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。 压敏电阻的阻值和其上的电压有关，当电压变大时，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。

05 效率与待机功耗   1、效率和待机功耗

这两个概念很简单，但有一点需要理清，就是电源在工作时：

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。  

06 ESR   1、电容ESR

开关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。  

2、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。

3、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。   4、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。

07 动态   1、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。  

2、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时间。

3、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。

4、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，整个系统的传递函数变为Load-IOUT的传递函数。 对于负载非阻性的应用，比如电池等，也将其模拟为电阻。

将一般性电源系统适用于动态响应的系统框图重画如下：

编辑：黄飞