电源发展史

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电源分类及常规知识
“我想DIY开关电源,要具备哪些理论知识、实践技能和工程素质啊?”
“如何从给定的设计规格设计出开关电源?具体步骤是什么?”
“开关电源中的电感、变压器怎么自己制作?控制芯片如何选型?”
“如何选择磁芯外形、变频器类型、工作频率、计算各种参数呢?”
“如何进行优化和折中?”
……
电源是一切电子设备的心脏,没有电源,电子设备就不可能工作。虽然市面上有很多介绍开关电源的书籍,但仍然缺少快速入门及经验总结类的资料,所以,尽管资料丰富,但还是有很多人不知道怎样利用。当然这篇文档只是入门介绍,深入研究还要看其他专着。
从电网得到的交流电或由电池取得的直流电是随环境温度、时间和负载所变化的,它们不能直接成为电子设备所需的内部电源。电子设备由于要完成许多高级的功能,对其供电电源的精度随环境的变化,动态响应能力,还有很多其他的指标都有非常高的要求。将电网或电池的一次电能转换为符合电子设备要求的二次电能,这样的变换设备就是我们这里要讲的电源。
随着片状电子元件、表面安装技术及大规模集成电路的发展,电子产品越来越小型化、轻型化,如何缩小电源的体积减轻重量,提高电源的转换效率,增强对电网电压的适应性,是人们致力于研究的重点。
一个比较好的解决方案是:以轻巧的高频变压器取代笨重的工频变压器,采用脉冲调制技术的直流--直流变换器型稳压电源,即我们马上就要讲到的开关电源。
开关电源具有管耗小、效率高、稳压范围宽及体积小、重量轻等优点,目前已在各种电子仪器和设备、航空和宇宙飞行器、发射机、电子计算机、通讯设备和电视机、录放像机等中得到了广泛应用。
开关电源按变换方式可分为以下四大类:
1、AC/DC 开关电源
2、DC/DC 开关电源
3、DC/AC 逆变器
4、AC/AC 变频器
目前只将前面两类称为开关电源,将后面两类分别称为逆变器和变频器。
开关电源按应用方式可分为以下三大类:
1、外置电源
与设备分开放置的电源模块或电源系统,如:
---通信用一次电源模块和系统
---电力操作电源模块和系统
---手机电池充电器
---笔记本电脑的Adapter
---各类手提设备、便携设备的电池充电器等等
2、内置电源
放在设备内部的电源模块或电源系统,如:
---计算机内部的SilverBox和VRM
---家电(如:普通电视机、等离子电视机、液晶电视机)内部的供电电源
---工业控制设备内部的电源
---仪器中使用的电源
---通信设备内部的电源模块和系统
---复印机、传真机、打印机等的内部电源等等
3、板上电源
放在设备内单板上的电源模块,如:
---标准砖类电源(全砖、半砖、1/4砖、1/8砖)
---非隔离POL(Point of Load 负载点)变换器
---VRM(Voltage regulator module电压调节模块)和VRD(Voltage regulator down)
---小功率SMD电源
---SIP和DIP电源等等
开发一个开关电源产品所需要的基本技能:
1、认识组成开关电源的所有元器件
2、掌握各种元器件的电气性能和电路符号
3、会自己制作各种磁芯元件
4、会正确装配电源中的各个部分
5、了解电源各项指标的意义并掌握如何测试的方法
6、会使用仪器对装配后的电源进行正确的调试,优化和折中
7、会对获得的实验结果进行分析,并进行总结
8、会从不同渠道不断地学习电源知识并能够和别人交流
开发一个开关电源产品所需要的专业理论知识:
1、有源PFC的拓扑分析,控制与设计
2、DC/DC功率变换器的拓扑与稳态分析
3、开关电源的功率级参数设计
4、开关电源的控制与动态分析
5、开关电源的小信号分析与设计
6、开关电源的大信号分析与设计
7、开关电源的EMI分析与设计
8、开关电源的热分析与设计
9、开关电源的容差分析与设计
10、开关电源的各种保护技术
11、开关电源的同步整流技术
12、开关电源的模块均流控制技术
有些技术很成熟了,只要查表或者使用现成电路或专用芯片就可以做好。EMI比较困难,因为元件特性会变化。
ATX电源:一个非常容易找到的开关电源就是PC机里用的ATX电源了。拆开电源可以看到里面的构造:
1、220V 50HZ交流输入
2、保险管
3、交流互感滤波(对高于50HZ高次谐波滤波,避免对后面电路的高频干扰)
4、二极管桥式整流电路
5、滤波电容
6、开关管
7、开关变压器
8、辅助电源(为电源监控部件、保护电路、控制电路等电路供电。)
9、开关激励脉冲形成电路(集成电路TL494和LM339比较器,开关振荡稳压控制,控制开关管)
10、光耦/激励变压器(将激励脉冲送到开关管的桥梁)
11、高频滤波电感和电容(滤除高次谐波)
12、直流电压输出
ATX接口定义:(有防插反缺口)
ATX主板电源接口
+3.3VDC +3.3VDC COM +5VDC COM +5VDC COM PWR_OK +5VSB +12VDC
+3.3VDC -12VDC COM PS_ON# COM COM COM -5VDC +5VDC +5VDC
硬盘、光驱电源接口:+12VDC COM COM +5VDC
软驱电源接口:+5VDC COM COM +12VDC
AUX电源接口:COM COM COM +3.3VDC +3.3VDC +5VDC
p4主板12V电源接口:COM COM +12VDC +12VDC
ATX采用颜色区分,仅凭颜色就可以知道电压值:
白色 -5V;红色 +5V;黑色 地;黄色 +12V;蓝色 -12V;橙色 +3.3V;灰色 POW_OK +5V 开机自检启动信号;紫色 +5VSB 待机电源;绿色 PS_ON# +5V 电源启停控制。
几个控制信号的说明:
POW_OK信号(在AT电源中及部分电源板上称P.G信号)为微机开机自检启动信号,为了防止开机时各路输出电路时序不定,CPU或各部件未进入初始化状态造成工作错误及突然停电时,硬盘磁头来不及移至着陆区造成盘片划伤,微机电源中均设置了POW_OK信号。
PS_ON#信号:ATX电源最主要的特点就是,它不采用传统的市电开关来控制电源是否工作,而是采用“+5VSB、PS_ON#”的组合来实现电源的开启和关闭,只要控制 “PS_ON#”信号电平的变化,就能控制电源的开启和关闭。电源中的S-ON控制电路接受PS_ON#信号的控制,当“PS_ON#”小于1V伏时开启电源,大于4.5伏时关闭电源。主机箱面上的触发按钮开关(非锁定开关)控制主板的“电源监控部件”的输出状态,同时也可用程序来控制“电源监控件”的输出,如在WIN9X平台下,发出关机指令,使“PS_ON#”变为+5V,ATX电源就自动关闭。
+5VSB:待机电源,上电后一直存在,该输出连接到ATX主板的“电源监控部件”,作为它的工作电压,使操作系统可以直接对电源进行管理。通过此功能,实现远程开机,完成电脑唤醒功能。
ATX电源需要短接PS_ON#和COM(即ATX主板电源接口的14脚和15脚短接)才能启动(此时电源散热风扇转动)。
开关电源变压器设计
开关电源变压器是开关电源中的核心部件,作用有三:磁能转换、电压变换和绝缘隔离。由于开关变压器的工作频率很高,因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小,同时变压器的分布参数亦不能忽略。设计时需要考虑磁芯材料选择,磁芯与线圈的结构,绕制工艺等。
开关电源变压器工作于高频状态,分布参数有漏感、分布电容和电流趋肤效应。一般根据开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值,在变压器的线圈结构设计中实现,而趋肤效应则作为选择导线规格的条件之一。
开关电源变压器的工作状态与开关型功率变换器的电路形式有关,一般根据功率大小,使用要求,采用不同形式的功率变换器。不同的电路形式,开关电源变压器工作状态也不同,对开关电源变压器也提出了不同的设计要求。
变换器形式有:双极性(推挽式、全桥式、半桥式),单端正激式,单端反激式等。
开关电源变压器中使用的是软磁材料。比如:铁氧体材料。铁氧体材料很容易加工成各种形状,可根据开关变压器的电路类型、使用要求、功率等级、经济指标等选用合适的磁芯形状。磁芯型号主要有:EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每种型号又有很多尺寸规格可以选择。
开关电源变压器参数计算:漏感计算、分布电容计算、穿透深度(导线选择)、交流电阻计算、电流有效值。
开关电源变压器设计
设计内容:
1、磁芯规格
2、匝数与导线规格
3、损耗与温升
4、导线结构:多股线或扁平线
5、绕组结构:多层或分段饶制
6、端空设计:按绝缘电位设计端空
设计条件:
1、电路形式:给出变换器的形式,输入输出电路及所用元器件
2、工作频率或周期
3、变换器输入最高、最低电压
4、输出电压和电流
5、开关管最大导通时间
6、开关管导通电压降及整流二极管正向电压降
7、隔离电位
8、要求的漏感或分布电容
9、温升要求
10、磁芯形状
11、工作环境条件
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