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FAE談電源

想來和電源打交道也有好幾年了,之前做的研發(fā),隨后做FAE一直到現(xiàn)在,這里不談職業(yè),我們只談電源和一些工作中的見聞;寫一些電源的基礎(chǔ)知識,給初學(xué)者和相關(guān)從業(yè)者一些幫助;有不對之處,希望大家不吝糾正,因為FAE有時也吹吹牛,放煙霧彈。

先從什么是電源聊起吧。

(一)什么是電源

回答這個問題先要知道電是如何產(chǎn)生的,從哪里來,怎么傳過來。就如下圖,很簡單,很多人都懂的火力發(fā)電站。這些電站都建在城市很遠(yuǎn)的地方。

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1.    1. 燃燒爐耗盡,產(chǎn)生大量的熱,將水加熱成水蒸氣,向右依靠水蒸氣的壓力推動渦輪旋轉(zhuǎn),同時冷凝的水蒸氣變成水回流繼續(xù)被加熱,促成一個循環(huán)。

2.    2. 接著發(fā)電機(jī),帶動發(fā)電機(jī)的動子旋轉(zhuǎn),根據(jù)電磁感應(yīng)原理得到電壓輸出。通常三相交流電,三個定子切割磁力線,產(chǎn)生三相電。

3.    3. 電力變壓器升壓后進(jìn)行電力傳輸。

所有發(fā)電站工作原理都基本一樣,水電站直接靠水流轉(zhuǎn)動渦輪,風(fēng)力就更直接靠風(fēng)吹動渦輪扇葉;通俗的說,裝機(jī)容量大的就很多渦輪,然后并網(wǎng)連接。

下圖的電網(wǎng)傳輸可以看到發(fā)電站的電是如何一步步傳輸?shù)缴钪械摹?

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發(fā)電站的一次升壓還不足以進(jìn)行遠(yuǎn)程電力傳輸,變電站會將電壓升高至百千伏后通過電塔架線傳輸,我國已經(jīng)是高壓電工程的領(lǐng)導(dǎo)者。為什么要超高壓傳輸,想必大家都很清楚電能損失P=I*I*R,唯有降低輸電電流才可顯著降低電能損失。當(dāng)然電阻的大小也是一方面要考慮的,經(jīng)濟(jì)性和實用性決定了不可能用金銀來做導(dǎo)線嘛。在靠近城市的郊區(qū)在通過變電站降壓至家庭或工業(yè)用電幅值。

那么問題來了,究竟什么是電源?

通常是指電力的來源。可以是供應(yīng)電力的系統(tǒng)或裝置,或是其它能夠?qū)ω?fù)載提供能量輸出的電源。

我們所要聊的開關(guān)電源,只是電源的一種,電源還可以是發(fā)電設(shè)備,太陽能,電池等等。

以下來自維基百科的解釋:

開關(guān)電源(英文:Switching Power Supply),又稱交換式電源、開關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓,透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備,例如個人電腦,而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

可以說,開關(guān)電源無處不在,小到幾瓦的手機(jī)充電器,大到千瓦級的光刻機(jī)電源機(jī)組。

另外我們通常說的開關(guān)電源只是AC/DCDC/DC轉(zhuǎn)換器,如果是AC/AC,可以是變頻器也可以是射頻器;如果是DC/AC,則是逆變器。

我們談的AC/DC通過這么多年的發(fā)展,已經(jīng)逐漸從線性電源轉(zhuǎn)移到開關(guān)型電源,論壇里有很多比較的帖子,我們稍微帶過?,F(xiàn)在已經(jīng)很少有電源公司還做線性電源了,至少偶公司已經(jīng)沒有了,以前在西門子的SMT設(shè)備上看到TDK的線性電源,>100KG重死了,當(dāng)時任務(wù)就是開發(fā)一個同樣功率的開關(guān)電源去取代它。

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電源能變小,終究是因為高頻元件的誕生,高頻電路的應(yīng)用。根據(jù)法拉第定理,保持等式成立其他條件不變,頻率變高幾百倍以后,變壓器體積隨之而變小。

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一個簡單的線性電源結(jié)構(gòu)如下:

簡單的說就是一個變壓器先把220vac降低到合適的大小然后用二極管整流成饅頭波,后接濾波電容再用晶體管進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。線性電源只能做降壓輸出。

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一個簡單的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如下:

220vac交流電先經(jīng)過電磁濾波器,然后整流橋,后進(jìn)入變壓器和開關(guān)元件組成的開關(guān)電路,在變壓器次級輸出矩形波;經(jīng)過整流和濾波得到穩(wěn)定輸出電壓。開關(guān)元件的工作則由電源IC的電路系統(tǒng)操控。

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開關(guān)電源有著許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),根據(jù)功率大小,性價比或者應(yīng)用場合來決定研發(fā)時的拓?fù)溥x擇,這里不一一介紹(樓主其實也只搞過幾種結(jié)構(gòu),這部分不敢班門弄斧)

作為一個電源產(chǎn)品的FAE,每個拓?fù)涞幕驹泶笾露家私?,做過研發(fā)就更好了。

這里附上TI的拓?fù)鋱D,感覺還是蠻有用的,以前打印了一直貼在辦公桌上。

TI-topology.pdf

官方: www.ti.com/lit/sg/sluw001f/sluw001f.pdf

今天先寫到這,慢慢的接著寫。

全部回復(fù)(6)
正序查看
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chebd
LV.6
2
2018-01-10 00:02
沙發(fā)
0
回復(fù)
hdzpc
LV.5
3
2018-01-10 09:16
寫的非常好,這都是基礎(chǔ)啊,溫故而知新!
0
回復(fù)
2018-01-10 12:49
寫的很清楚,期待后續(xù)大作
0
回復(fù)
rainever
LV.8
5
2018-01-11 22:58

謝謝幾個同僚的回復(fù),這些基礎(chǔ)的東西看起來是比較乏味,不過為了寫完整,我希望能寫全FAE的電源工作;

今天來談?wù)勲娫吹倪@些參數(shù)知識。

一個成熟的電源產(chǎn)品有很豐富的電源數(shù)據(jù),不論你是做研發(fā)還是做銷售,都需要知道這些參數(shù)。尤其是現(xiàn)在的技術(shù)銷售,如果你不能和客戶的工程師做技術(shù)交流,你幾乎就賣不出去產(chǎn)品。

最基本參數(shù):輸入電壓/電流(范圍和類型),輸出電壓/電流(可調(diào)范圍),功率(通常是輸入功率)

這些參數(shù)在電源的銘牌上都有,也是安規(guī)要求,根據(jù)最新的62368-1的規(guī)定,輸入電流或功率也要標(biāo)注。

輸入電壓的全球分布:

常規(guī)電源參數(shù):

功率密度=輸出功率/電源體積

功率因數(shù):Power Factor = Real Power / Apparent Power = COS θ

                ** θ is the phase shift between real and apparent power 電壓和電流的相位差

因此輸入功率Input Power = Vrms x Irms x PF

也就說凡是用萬用表量的輸入電壓和電流的乘積輸入功率(有用功)

電源效率:h = (Pout / Pin) x 100% = [(Pin – Ploss) / Pin] x 100%這個沒什么好說的;

諧波限制標(biāo)準(zhǔn):EN61000-3-2Limits for harmonic current emission for input current ≤ 16A per phase.

盡管這個電流諧波規(guī)范始源于歐盟,但是幾乎所有客戶都有要求達(dá)標(biāo),諧波測試是在230vac電壓輸入,根據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行分類標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在的電源應(yīng)用很廣,可能需要同時滿足Class A /B /D, LED driver通常是Class C。需要特別了解的是,這個是諧波規(guī)范,對功率因數(shù)沒有任何要求,而且目前沒有哪個安規(guī)有針對功率因數(shù)的要求。

浪涌電流Inrush current:是指靜止?fàn)顟B(tài)下的電源第一次開機(jī)時的瞬時沖擊電流。測這個電流的時候,必須是滿載且在輸入電壓是90°或270°啟動時才達(dá)到最大值。

造成inrush的原因其實是電源的電解濾波電容被充電,inrush太高容易觸發(fā)斷路器,要降低inrush通常使用thermistor NTC串在電路里,限制inrush的峰值。如果NTC造成的損耗太大,多數(shù)設(shè)計是并聯(lián)relay繼電器和NTC,然后串聯(lián)在電路里。僅啟動時靠NTC降低inrush,正常工作靠繼電器導(dǎo)通。

Hold up time:電壓保持時間

交流輸入斷電后,輸出電壓在規(guī)定幅值內(nèi)的保持時間。如圖,這個時間行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是16~20ms,可供電源下游的可能存在的MCU/CPU等保存數(shù)據(jù)。對于有PFC的電源來說,輸入電壓對這個時間沒影響,對于flyback機(jī)構(gòu)的電源來說,通常測115vac標(biāo)準(zhǔn)輸入時的時間值。

hold up time的測試必須是當(dāng)輸出電壓AC在90°或270°時關(guān)斷,再測量輸出電壓的持續(xù)時間。

Line regulation:線性調(diào)整率

在一定負(fù)載條件下,通過改變輸入電壓,測算輸出電壓的變化范圍。

Line Reg = [(Vmax – Vmin) / Vnominal] x 100%

好的電源,線性調(diào)整率都在0.5%以下。一般都在50%負(fù)載下測試。

Load regulation:負(fù)載調(diào)整率

在固定輸入電壓的條件下,改變負(fù)載大小,測算輸出電壓的變化范圍。

Load Reg = [(Vmax – Vmin) / Vnominal] x 100%

一般都是在max input voltage輸入,輸出0負(fù)載和滿載條件下,測量輸出電壓;通常低于1%

Cross regulation:交叉調(diào)整率

這個是多路輸出電源的一個參數(shù)指標(biāo),固定輸入電壓的條件下,給輸出OP1加負(fù)載10%~100%,測量輸出OP2的電壓變化,通常不高于5%

Temperature regulation:溫差調(diào)整率

溫度對輸出電壓的影響其實很小,這個主要取決于電路里選擇元件的質(zhì)量問題,類似運放OP amp,反饋回路,光耦的溫漂。通常電源會給出一個溫差系數(shù)temperature coefficient,這個值一般在0.02%/℃~ 0.06%/℃,越低越好;我們會測試電源規(guī)格書中工作溫度對輸出電壓的影響,得到電壓變化值百分比再除以溫度的變化值,從而得到溫差系數(shù)。

Over/Undershoot電壓過沖

過沖是輸出電壓的瞬時變化,通常是超過正常輸出電壓的調(diào)整范圍,在負(fù)載突變或電源啟動時發(fā)生。Undershoot調(diào)整不足一般發(fā)生在負(fù)載突變情況下。

Overshoot = {(Vmax – Vnormal) / Vnormal] x 100%

Transient Response動態(tài)響應(yīng):

階躍負(fù)載測試,通常是50%負(fù)載階躍至75%或100%負(fù)載,具體每個公司標(biāo)準(zhǔn)不太一樣;負(fù)載變化時測量輸出電壓的變化。動態(tài)響應(yīng)時電壓一般都有overshoot的情況,通常需要在500us之內(nèi)回歸正常范圍電壓。這個也是研發(fā)階段檢查反饋回路穩(wěn)定性的一個簡易方法。

現(xiàn)在多數(shù)的電源為了滿足更低的空載損耗,在零負(fù)載時電源工作在burst mode情況,動態(tài)響應(yīng)很差,所以測試時一般不會從空載開始上升。

Ripple & noise波紋和噪音

這兩東西一直是同時存在的,要分清他們也很容易。波紋一定是帶頻率的,而噪音是雜亂的。

大部分的電源ripple & noise值都在1%,怎么量是很關(guān)鍵的,必須靠近輸出端口測量,而不是在負(fù)載端測量。各大廠商普遍要求測量時在20MHz限頻內(nèi),并聯(lián)10uf的電解+0.1uf的陶瓷電容以消除探針誤差和干擾。

Peak Loading峰值負(fù)載

這個參數(shù)很多電源不具備,但是現(xiàn)在流行的各大消費品客戶都有需求。一般峰值負(fù)載是額定負(fù)載的2~3倍,持續(xù)時間從10ms到10幾秒不等,平均功率不超過額定負(fù)載。

這方面我遇到很多客戶,像創(chuàng)新科技,他們的音響設(shè)備類似subwoofer,normal loading 100W左右,peak loading 300W持續(xù)時間5s,環(huán)境溫度要求50度;能效等級6,自然冷卻.

這個是SKYNET的電源規(guī)格,恰好可以被運用到,量需求50K~80K。他們家做很多這種具備peak loading的產(chǎn)品,競爭對手也少,是個不錯的選擇,就是宣傳做的不到位。當(dāng)時我發(fā)現(xiàn)這個電源的時候就對銷售說我們就算了吧,規(guī)格meet不到,改進(jìn)參數(shù)又賣不出好價錢,回頭跟marketing的人反應(yīng)去。。。

Peak loading非常適合在電子音響,傳聲機(jī),咖啡機(jī),游戲機(jī)等等,需要瞬時高功率輸出的場合。

今天就寫到這里。之后會寫一些電源保護(hù),安規(guī),應(yīng)用,以及EMC,還有醫(yī)療/軍規(guī)的東西。

0
回復(fù)
yuyan
LV.9
6
2018-02-26 09:37
@rainever
謝謝幾個同僚的回復(fù),這些基礎(chǔ)的東西看起來是比較乏味,不過為了寫完整,我希望能寫全FAE的電源工作;今天來談?wù)勲娫吹倪@些參數(shù)知識。一個成熟的電源產(chǎn)品有很豐富的電源數(shù)據(jù),不論你是做研發(fā)還是做銷售,都需要知道這些參數(shù)。尤其是現(xiàn)在的技術(shù)銷售,如果你不能和客戶的工程師做技術(shù)交流,你幾乎就賣不出去產(chǎn)品。最基本參數(shù):輸入電壓/電流(范圍和類型),輸出電壓/電流(可調(diào)范圍),功率(通常是輸入功率)這些參數(shù)在電源的銘牌上都有,也是安規(guī)要求,根據(jù)最新的62368-1的規(guī)定,輸入電流或功率也要標(biāo)注。輸入電壓的全球分布:[圖片]常規(guī)電源參數(shù):功率密度=輸出功率/電源體積功率因數(shù):PowerFactor=RealPower/ApparentPower=COSθ              **θisthephaseshiftbetweenrealandapparentpower電壓和電流的相位差因此輸入功率InputPower=VrmsxIrmsxPF也就說凡是用萬用表量的輸入電壓和電流的乘積≠輸入功率(有用功)電源效率:h=(Pout/Pin)x100%=[(Pin–Ploss)/Pin]x100%這個沒什么好說的;諧波限制標(biāo)準(zhǔn):EN61000-3-2Limitsforharmoniccurrentemissionforinputcurrent≤16Aperphase.[圖片]盡管這個電流諧波規(guī)范始源于歐盟,但是幾乎所有客戶都有要求達(dá)標(biāo),諧波測試是在230vac電壓輸入,根據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行分類標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在的電源應(yīng)用很廣,可能需要同時滿足ClassA/B/D,LEDdriver通常是ClassC。需要特別了解的是,這個是諧波規(guī)范,對功率因數(shù)沒有任何要求,而且目前沒有哪個安規(guī)有針對功率因數(shù)的要求。浪涌電流Inrushcurrent:是指靜止?fàn)顟B(tài)下的電源第一次開機(jī)時的瞬時沖擊電流。測這個電流的時候,必須是滿載且在輸入電壓是90°或270°啟動時才達(dá)到最大值。[圖片]造成inrush的原因其實是電源的電解濾波電容被充電,inrush太高容易觸發(fā)斷路器,要降低inrush通常使用thermistorNTC串在電路里,限制inrush的峰值。如果NTC造成的損耗太大,多數(shù)設(shè)計是并聯(lián)relay繼電器和NTC,然后串聯(lián)在電路里。僅啟動時靠NTC降低inrush,正常工作靠繼電器導(dǎo)通。Holduptime:電壓保持時間交流輸入斷電后,輸出電壓在規(guī)定幅值內(nèi)的保持時間。如圖,這個時間行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是16~20ms,可供電源下游的可能存在的MCU/CPU等保存數(shù)據(jù)。對于有PFC的電源來說,輸入電壓對這個時間沒影響,對于flyback機(jī)構(gòu)的電源來說,通常測115vac標(biāo)準(zhǔn)輸入時的時間值。[圖片]holduptime的測試必須是當(dāng)輸出電壓AC在90°或270°時關(guān)斷,再測量輸出電壓的持續(xù)時間。Lineregulation:線性調(diào)整率在一定負(fù)載條件下,通過改變輸入電壓,測算輸出電壓的變化范圍。LineReg=[(Vmax–Vmin)/Vnominal]x100%好的電源,線性調(diào)整率都在0.5%以下。一般都在50%負(fù)載下測試。Loadregulation:負(fù)載調(diào)整率在固定輸入電壓的條件下,改變負(fù)載大小,測算輸出電壓的變化范圍。LoadReg=[(Vmax–Vmin)/Vnominal]x100%一般都是在maxinputvoltage輸入,輸出0負(fù)載和滿載條件下,測量輸出電壓;通常低于1%Crossregulation:交叉調(diào)整率這個是多路輸出電源的一個參數(shù)指標(biāo),固定輸入電壓的條件下,給輸出OP1加負(fù)載10%~100%,測量輸出OP2的電壓變化,通常不高于5%Temperatureregulation:溫差調(diào)整率溫度對輸出電壓的影響其實很小,這個主要取決于電路里選擇元件的質(zhì)量問題,類似運放OPamp,反饋回路,光耦的溫漂。通常電源會給出一個溫差系數(shù)temperaturecoefficient,這個值一般在0.02%/℃~0.06%/℃,越低越好;我們會測試電源規(guī)格書中工作溫度對輸出電壓的影響,得到電壓變化值百分比再除以溫度的變化值,從而得到溫差系數(shù)。Over/Undershoot電壓過沖過沖是輸出電壓的瞬時變化,通常是超過正常輸出電壓的調(diào)整范圍,在負(fù)載突變或電源啟動時發(fā)生。Undershoot調(diào)整不足一般發(fā)生在負(fù)載突變情況下。Overshoot={(Vmax–Vnormal)/Vnormal]x100%TransientResponse動態(tài)響應(yīng):階躍負(fù)載測試,通常是50%負(fù)載階躍至75%或100%負(fù)載,具體每個公司標(biāo)準(zhǔn)不太一樣;負(fù)載變化時測量輸出電壓的變化。動態(tài)響應(yīng)時電壓一般都有overshoot的情況,通常需要在500us之內(nèi)回歸正常范圍電壓。這個也是研發(fā)階段檢查反饋回路穩(wěn)定性的一個簡易方法?,F(xiàn)在多數(shù)的電源為了滿足更低的空載損耗,在零負(fù)載時電源工作在burstmode情況,動態(tài)響應(yīng)很差,所以測試時一般不會從空載開始上升。[圖片]Ripple&noise波紋和噪音這兩東西一直是同時存在的,要分清他們也很容易。波紋一定是帶頻率的,而噪音是雜亂的。[圖片][圖片]大部分的電源ripple&noise值都在1%,怎么量是很關(guān)鍵的,必須靠近輸出端口測量,而不是在負(fù)載端測量。各大廠商普遍要求測量時在20MHz限頻內(nèi),并聯(lián)10uf的電解+0.1uf的陶瓷電容以消除探針誤差和干擾。PeakLoading峰值負(fù)載這個參數(shù)很多電源不具備,但是現(xiàn)在流行的各大消費品客戶都有需求。一般峰值負(fù)載是額定負(fù)載的2~3倍,持續(xù)時間從10ms到10幾秒不等,平均功率不超過額定負(fù)載。這方面我遇到很多客戶,像創(chuàng)新科技,他們的音響設(shè)備類似subwoofer,normalloading100W左右,peakloading300W持續(xù)時間5s,環(huán)境溫度要求50度;能效等級6,自然冷卻.[圖片]這個是SKYNET的電源規(guī)格,恰好可以被運用到,量需求50K~80K。他們家做很多這種具備peakloading的產(chǎn)品,競爭對手也少,是個不錯的選擇,就是宣傳做的不到位。當(dāng)時我發(fā)現(xiàn)這個電源的時候就對銷售說我們就算了吧,規(guī)格meet不到,改進(jìn)參數(shù)又賣不出好價錢,回頭跟marketing的人反應(yīng)去。。。Peakloading非常適合在電子音響,傳聲機(jī),咖啡機(jī),游戲機(jī)等等,需要瞬時高功率輸出的場合。今天就寫到這里。之后會寫一些電源保護(hù),安規(guī),應(yīng)用,以及EMC,還有醫(yī)療/軍規(guī)的東西。
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