開關電源

開關電源是相對線性電源說的。它在輸入端直接將交流電整流變成直流電，再在高頻震蕩電路的作用下，用開關管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高頻變壓器）的幫助下，輸出穩定的低壓直流電。由于變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。因為高頻可以減少轉換損耗，使這種電源的效率比線性電源高很多。這樣就節省了能源。

開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）脈沖幅度調制（PFM）和混合調制構成。

線性電源的主電路如下：

開關電源的主電路如下：

開關電源的發展方向

開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低損耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。

開關電源與線性電源之比較

輸入電壓范圍

輸入電壓是指客戶端提供給開關電源的輸入電壓，即電源能正常工作的電壓。常見的分為AC（交流）和DC（直流）輸入兩種（或AC、DC均可）。

對于產品而言，輸入電壓均有范圍，常見的AC輸入的有：176Vac~264Vac；90Vac ~132Vac；90Vac~264Vac等；而常見DC輸入的有：36VDC ~72VDC等。

此參數主要是保證開關電源在客戶端的設備上能正常使用。

輸入頻率范圍（Hz）

此指標主要是能滿足客戶所在國家或地區的電網的要求。（AC輸入）

通常產品的指標為：47Hz~63Hz

我們國家的電網為：220Vac/50Hz

啟動沖擊電流

開關電源在啟動瞬間，由于電容在開機瞬間會形成一個很大電流的充電過程，這就形成了啟動沖擊電流；其如果過大容易導致橋堆和保險絲等器件燒毀；

此指標主要是考慮電源在啟動時耐受沖擊電流的能力。一般要求冷機啟動情況下：<30A （220Vac/50Hz）。

測試設備：可編程交流源; 精密電子負載; 數字示波器; 電流探頭

最大輸入電流

在電源工作時，輸入端回路總會有電流，即我們所說的輸入電流；

一般來說，最大輸入電流出現在輸入電壓為下限值時；

此項指標某些客戶有特殊要求，它的大小受以下幾個因數的影響：輸出功率、PF值（功率因數）、輸入電壓和效率等。

輸出啟動時間

啟動時間是指開關電源在最大載情況下從電源（直流或交流）輸入到其輸入電壓上升到規格下限值（或90%U）時的那段時間；

通常在220Vac輸入時，要求小于1S；在110Vac輸入時，要求小于2S。。

啟動時間可能對客戶系統的時序信號有影響，當然啟動時間過長可能會讓客戶認為電源出現故障。

輸出過沖

當電源啟動時，輸出電壓將上升至某一值V1時經電源的反饋回路調整后至穩定輸出電壓值V0，此時的輸出過沖(overshoot)即為（V1-V0）/V0*100%；同理，當電源斷開輸出時，也會出現所謂的輸出欠沖（undershoot);

此項指標主要是考量開關電源的反饋回路的反應速度。

測試時應兼顧各種輸入條件和負載條件。

輸出過沖

保持時間

定義是：開關電源從輸入切斷電源起到其輸出電壓下降到穩壓范圍外時（一般是輸出電壓的下限）的時間，單位是mS級。

通常標準：220Vac輸入時不小于20mS；110Vac輸入時不小于10mS。（不同的設備有不同的時間要求，有要求≥16ms，有的則要求在交流輸入120V時≥ 12ms）

此參數可能影響客戶系統的某些工作特性，如保存數據等，也可能涉及到時序性問題。

效率

效率的定義是指某一電源輸出的總功率與輸入有用功的百分比。

此指標是檢驗電源的功率使用率，從客戶角度而言，效率高就意味著耗能少，效率低就意味著耗能多；從產品開發而言，效率低意味著電源本身的功耗大，自身產生的熱能也相應增大，這將影響產品的可靠性，也可能進而影響客戶系統的可靠度。

溫度系數

此指標主要是評估開關電源在其允許的環境條件（泛指溫度與濕度）下，其輸出的電壓變化率是否滿足要求；

影響溫度系數的因數主要是開關電源的元器件在環境變化后某些參數的偏移從而引起整機參數的變化（對于產品而言即輸出電壓）。

輸出電流

輸出電流是定義某一電源本身的特定參數；一般定義每路輸出所允許的負載電流范圍（描述最小電流和最大電流）；如不定義最小電流值，則默認為最大電流值的10% 。

此參數的確定取決于客戶設備的實際功率。一般而言，建議使用不大于80%Pmax.

源效應

源效應定義是開關電源在某一特定環境溫度條件下，在輸入電壓變化時其提供穩定輸出電壓的能力（也稱為：輸入電壓調整率）。

此指標主要是考慮到開關電源可能在不同的輸入電壓的工作環境，由此引起的輸出電壓不穩定情況。如在國內的邊遠地區或農村地區，電網的供電穩定程度較差。

負載效應

負載效應定義為開關電源在某一環境條件下，在輸出負載變化時其提供穩定的輸出電壓的能力。

這個指標主要滿足客戶系統的負載條件變化時開關電源輸出電壓的穩定性必須滿足客戶設備工作的要求。

負載效應

綜合開關電源在不同環境條件、不同輸入電壓、不同的負載條件下，其提供穩定輸出電壓的能力；

該指標其實是將源效應、負載效應和溫度系數等綜合起來。

輸出紋波

輸出紋波可能會影響到客戶系統工作時的穩定性，當紋波問題過大時造成客戶系統當機或丟失數據的情況時有發生。

紋波的大小按照1%V0來定義，但一般而言，紋波均定義不大于50mV除非客戶有特殊要求。

輸出噪聲紋波的測試

⑴輸出紋波和噪聲是指疊加在輸出直流電壓上的交流成分，其中紋波是疊加在輸出直流上開關頻率的偕波分量，而噪聲電壓是在與開關頻率無關的非周期的分量。測試紋波和噪聲應在規定的帶寬內測試，一般用20MHz帶寬，超20MHz帶寬的示波器可選用20MHz的帶寬限制，一般用mVp-p表示，測量應采用靠測法（如圖）即去掉探頭上的地線夾和測試鉤，直接用探頭靠在電源模塊的輸出引針上，這樣可以避免空間輻射超成影響，還可以避免將共模信號疊加在真正要測試的差摸信號上。

⑵另一種方法是用雙絞線測量。適用于便裝式電源的測量 。

動態負載響應

一個額定電壓輸出的電源，具備反饋控制回路，能夠將其輸出電壓維持穩定，但由于實際上反饋控制回路有一定的頻寬，限制了開關電源對負載電流變化的反應。

客戶系統的負載電流一般是變化的，所以動態負載響應測試確保了電源在負載變化時不會出現輸出呈現不穩定、失控或振蕩現象。

保護功能

輸入保護：根據模塊電源時間的工作環境及用戶對可靠性的要求，可以選擇輸入保護電路，以提高電源系統的可靠性，輸入保護電路由保險絲、反極性保護二極管、輸入電容、瞬態抑制二極管組成，常用的輸入保護電力如圖所示。

①保險絲

設置在電源模塊輸入端的保險絲提供安全保護，一般保險絲規格可選取1.5-2倍的額定輸入電流，如果模塊工作在一個相當寬電壓范圍，保險絲應該選擇2倍的最大輸入電流。是否選擇一個快速熔斷的保險絲取決于具體的應用。一般來說一個普通的保險絲能提供足夠的保護，但在熱備份的應用中，我們推薦使用快速保險絲，以防失效的模塊將輸入母線短路。

②輸入電容

在模塊的輸入端應加裝一只電解電容，這個電容有兩個作用；

1）吸收模塊輸入端的電壓尖峰；

2）在輸入母線上出現瞬間電壓跌落時，給模塊提供一定時間的維持電壓。

③反極性保護

為了防止模塊在輸入極性接錯，在輸入端安裝一只二極管，這只二極管可串在輸入回路，對低電壓輸入電源，可并聯在輸入回路（如圖接法）。如果使用瞬抑制二極管作為瞬態過壓保護，則省略串聯二極管，同樣可起到反極性保護的作用。

④輸出保護

輸出保護一般有：過電流、過壓、短路等保護；

電源具備保護功能的作用是：一保護客戶端的設備；二是保護電源本身，避免其損壞。

工作環境

工作環境主要包括了溫度和濕度。

每個電源都有其特殊的使用環境。溫度越高或越低和濕度越大，工作環境也就越惡劣。

電源的使用環境也會對設計開發時選用器件有影響，即工作環境越惡劣，選用的器件的可靠性也就越高，就是說成本也就越高。

另外使用在比較惡劣的工作環境下，應考慮降額使用。

電磁兼容

電磁兼容（EMC）目前越來越受到重視，新開發產品均嚴格按照EMC相關標準開發設計。

產品在滿足自身的EMC要求同時，也應作為客戶端的一個配件與客戶系統相配合并滿足其EMC標準要求。

電磁兼容包括有EMS和EMI兩項。

EMS目前在能測試的項目有：ESD（靜電放電）、EFT（電快速脈沖群）、Lightning（雷擊浪涌）和Dips and Variation（電壓暫降和瞬變）四項；

EMI電磁干擾方面，目前能測試為傳導干擾和輻射干擾。

根據客戶的不同電壓，采用壓敏電阻、氣體放電和TVS，TVS動作速度非常快，達ps極（10-12s），但其通流量不達，應將其放在后級。壓敏電阻和氣體放電的通流量可以做得很大。但速度較慢只有us（10-6s）。為了讓高能量得浪涌電壓盡量在壓敏電阻、氣體放電管上，建議在壓敏電阻和氣體放電與TVS之間放一級電感，用電感阻擋一些時間，高能量得浪涌電壓盡量從壓敏電阻、氣體放電管泄放。氣體放電管是一種負阻元件，一旦導通只有幾十伏得降壓，故應與壓敏電阻配合使用。二級間的阻滯電感可與EMC輸入級的電感共用。

所有壓敏器件、元件的動作電壓按下面公式計算：

Vz≧Vin×(1＋20﹪)×1.4

eg: Vin=220Vac輸入回路，Vz≧370V。在交流電壓波動較大的地區還可取得大一些。

關于感性負載和啟動電流

如用戶采用電源模塊驅動感性如電動機、電磁閥等，那么應當注意感性負載會產生感生電動勢，造成電源模塊的誤動作。可在輸出級加一只二極管，將感生電動勢隔離。如圖：

如果采用電源模塊驅動感性如電動機，除應注意感生電動勢外，還需注意電動機的啟動電流。一般來講電動機的啟動電流是正常工作標稱值的6-8倍，電源模塊的保護電路可靠而靈敏，會因過流保護不能啟動，須適當加大電源容量并在訂貨時予以說明

關于可靠性

可靠性精確定義：產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。通常可以用平均無故障時間MTBF來表示。

MTBF是Mean Time Between Failures的簡寫。指兩次相連故障間的平均工作時間，而不是指產品報廢（失效）的時間

有兩種計算方法：一是用長時間大量的統計數字來計算，二是用MILHDBK-217F2，國軍標為GJB299標準規定的方法來計算，即MTBF=1／λ，計算方法非常煩瑣。最關鍵是求得λ得值，λ得值與以下幾項內容有關：

1）環境溫度

2）使用環境

3）元件的數量

4）元器件得等級

5）降額的冗余度

其中1.2項與客戶使用有關。3-5項由生產廠家掌握，產品在計算MTBF時環境溫度取25℃，使用環境為“一般地面環境”。如客戶在使用環境過高，工作環境過于嚴酷會直接影響λ的值，從而降低MTBF的值。為保證MTBF達到要求，在產品設計上依據GJB/Z35采用冗余、降額方法，元器件采購方面采用高等級產品，并按照GJB128A、GJB548A進行老化、篩選，電路結構上盡量簡捷，在保證功能的前提下，盡量減少器件的數目，以提高平均無故障時間MTBF。

綜上所述MTBF會因客戶在使用方法、使用環境溫度的不同而有一定的變化。