开关电源设计中的常见问题及注意事项

    在设计开关电源之前，应当仔细研究要设计的电源技术要求。现以一个通信电源模块的例子来说明设计要考虑的问题。该模块的技术规范如下：
1 电气性能
     除非另外说明,所有参数是在输入电压为220V,交流50Hz以及环境温度25℃下测试和规定的.

1.1 输入
电压：单相交流额定电压有效值220V±20%
频率：频率范围 45-65Hz
电流：在满载运行时,输入220V,小于8A。在264V时,冲击电流不大于18A
效率：负载由50％－100％为表2.1值
功率因数：大于0.90,负载在50％以上,大于0.95
谐波失真：符合IEC 555-2要求
启动延迟：在接通电源3秒内输出达到它的额定电平
保持时间：输入176V有效值,满载,大于10mS
1.2 输出
电压：在满载时,输出电压设定在表1值的±0.2％
电流：负载电流从零到最大值(参看表1)，过流保护开始是恒流,当电压降低到一定值得时,电流截止.
稳压特性：负载变化由零变到100％, 输入电压由176V变到264V最坏情况下输出电压变化不超过200mV.
瞬态响应： 在没有电池连接到输出端时,负载由10％变化到100％,或由满载变化的10％,恢复时间应当在2mS之内.最大输出电压偏摆应当小于1V.
静态漏电流：当模块关断时,最大反向泄漏电流小于5mA.
温度系数：模块在整个工作温度范围内≤±0.015％.
温升漂移：在起初30秒内,±0.1％
输出噪音：输出噪音满足通信电源标准,衡重杂音＜2mV.
1.3 保护
输入：输入端保护保险丝定额为13A.
输出过压：按表1.1设置过压跳闸电压,输出电压超过这个电平时,将使模块锁定在跳闸状态.通过断开交流输入电源使模块复位.
输出过流：过流特性按表1.1的给定值示于图1.过流时,恒流到60％电压,然后电流电压转折下降.(最后将残留与短路相同的状态)
输出反接：在输入反接时,在外电路设置了一个保险丝烧断(＜32A/ 55V)
过热：内部检测器禁止模块在过热下工作，一旦温度减少到正常值以下,自动复位.
1.4 显示和指示功能
输入监视：输入电网正常显示.
输出监视：输出电压正常显示.(过压情况关断).
限流指示：限流工作状态显示.
负载指示： 负载大于低限电流显示.
继电器：输入和输出和输入正常同时正常显示。
输出电流监视：负载从10％到100％,指示精度为±5％.
遥控降低：提供遥控调节窗口.
1.5 系统功能
电压微调：为适应电池温度特性,可对模块的输出电压采取温度补偿.
负载降落：为适应并联均流要求，应能够调节外特性。典型电压降落0.5％,使得负载从零到增加100％,输出电压下降250mV.
遥控关机：可实现遥控关机。
1.6 电气绝缘
下列试验对完成的产品100％试验。
1.在L(网)和N(中线)之间及其它端子试验直流电压为6kV.
2.在所有输出端和L,N及地之间试验直流2.5kV.这检查输出和地之间的绝缘.
3.下列各点分别到所有其它端子试验直流100V：
电压降低(11和12脚)
继电器接点(14,15和16脚)
状态选择-输入,输出和电流限制(3,4,5和6脚)
4.地连续性-以25A,1 分钟检查,确认安全接地的阻抗小于0.1Ω.
1.7 电磁兼容
符合邮电部通信电源标准.
2 机械规范
尺寸：略
重量： 略
安装方向： 模块设计安装方向是面板垂直放置,使空气垂直通过模块.
通风和冷却： 模块的顶部和底部都有通风槽,使空气流通过模块,经过散热器.因此在系统中应当没有阻碍地对流冷却模块,并应强迫冷却装置使冷却空气经过模块自由流通.
3 环境条件
环境温度： 在0～55℃温度范围内满功率工作.在模块下50mm处模块的入口测量温度.
存储温度：－40～+85℃
湿度：5％～80％,不结冰.
高度： -60m～2000m工作;-60m～10000m不工作.
4 可靠性
MTBF大于100000小时.
    这些要求包括：输入电源，输入电压的类型－交流还是直流。交流电源的频率和电压变化范围，整流滤波方式，是否有功率因数要求？如果是直流电源，是直流发电机，还是蓄电池、抑或其它直流变换器？是电流源还是电压源？它们的变化范围和纹波大小。输出电压（电流）大小和调节范围，稳压（或稳流）精度，输出有几路？输出电流（或输出功率），输出纹波电压要求，是否需要限流？瞬态响应要求。负载特性：蓄电池，还是荧光灯，还是电机？这些电气性能之外，是军用还是民用？EMC要求，环境温度。体积与重量要求。是否需要遥控，遥测或遥调？是否需要提供自检测，如此等等。设计出的电源必须满足这些要求。

1.1 主电网电源
    如果你购进国外电气设备，不管青红皂白就去插上电源，弄不好就可能烧坏设备电源。因此，要安全使用国外设备，要知道国外电网电源的种类和相关标准。如果你设计的产品是提供出口，也必须了解该地区的电网的标准。
    首先世界上主电网的交流电源频率在美国是60Hz，而在中国和欧洲是50Hz。实际上，频率也有一定的变化范围，电网负荷重的时候，50Hz可能降低到47Hz；如果负载很轻时，60Hz可能上升到63Hz。这是因为带动发电机的发动机转速不可能是没有调节公差的恒速运行。50Hz供电的直流电源必须使用比60Hz供电更大的滤波元件，供电变压器铁芯更大或线圈匝数更多。
    其次电源电压在不同地区也不同：在中国，家用电器和小功率电气设备由单相交流220V供电，工业用电是三相380V。在美国民用电源为110V（有时是120V），而家用电器，如洗衣机电源是208V，而工业用电是480V，但是照明却是277V，当然也有用120V的；在欧洲为230V，而在澳大利亚却是240V，如此等等。
    以上的电网电压仅仅是其额定值，每一种电网都有允许偏差。例如电网随负荷变化时产生较大波动。在上世纪末我国电网改造前，电网电压波动范围高达30%以上。随着国民经济发展，大量电厂建立，供电量充足，同时经过电网改造，合理输配电，目前在我国大多数地区供电质量明显提高，一般变化在10%以内，即在198V～242V之间。但在铁道系统和某些边远山区变化范围仍可能达到30%。因此，你设计的开关电源，必须迎合使用地区的供电情况，即使遇到意外情况，也能够安全运行而不发生故障。有时电网也可能丢失几个周波，要求有些电源能够不间断（保持时间）地工作，这就要求较大的输出电容或并联电池满足这一要求。
    电网还存在过压情况。雷击和闪电在2Ω阻抗上,引起线与线电压和共模干扰可高达6000V电压。闪电有两种类型，一种是短脉冲，上升时间1.2μs，衰减时间50μs，另一种很高能量，衰减时间1ms。电网还有瞬态电压，峰值达750V，持续半个电网周期，这主要是大的负载的接入或断开，或高压线跌落引起电网的瞬变。
    实际上工业电网面临的问题远不止这些，交流电网是一个肮脏的环境。你所设计的电源应当能够在这个环境中工作，同时还要满足国际和各地区安全标准要求。

1.2 电池
    在通信，电站，交通要求不间断供电的地方，电池作为不可缺少的储能后备能源。大量移动通讯站和手机，以及电动汽车，助力电瓶车都依靠电池提供能量。风力发电和太阳能发电存储峰值能量作为后备能源。但是电池涉及到电化学和冶金学知识，已超出一般电气工程师的知识范畴。这里介绍一些使用电池基础知识，使你知道设计充电电源和使用电池供电时应注意的一些问题。
    利用电化学可逆原理做成的最基本的单元电池叫单体电池。典型的单体电池是由两个金属极板和构成它们之间导电通路工作介质组成，这种通路材料可能是液体或固体，与特定化学机理有关。这种结构关键在于是否能够更有效进行电－化学反应（可再充电，即二次电池，也称为蓄电池。不能再充电叫一次电池）。根据不同通路材料的安排，一个金属极板为电池的阳极－正极，另一个则为阴极－负极。如将两个金属极板（阴极和阳极）接到电源上，电的作用改变了工作介质的化学状态，这就是储能。如将已储能的电池极板接到负载，材料化学作用放出电荷返回到原始状态，释放出电能。
    单体电池一般很低，例如铅酸蓄电池单体电池额定电压为2V。因此较高电压的电池一般由许多单体电池串联组成。应当注意：不要自己将电池连接成你需要的电压和容量，电池不能直接并联！你只能按制造厂系列产品选择你需要的电池容量和电压。如果在每个电池端串联一个二极管就可以并联。
    在电池工作范围内，电池看起来像一个理想电压源，但实际电源并非如此。首先，当充电时，端电压会升高；放电时，端电压会降低。这就说明蓄电池存在内电阻，图1.1是标称电流压12V的NiH电池的伏安特性，随着输出电流的增加，输出电压下降（类似正弦双曲线）。标称电压为12V，电池放出电流为负，充电电流为正。电池放出小电流时，电池端有一个类似电阻的压降，电流加倍压降也几乎加倍；在大电流时，电压降增加减慢；在端电压下降到零以前，电流可以达到非常大的数值，但绝对不能将电池短路，如果将NiH电池输出短路将引起电池爆炸！其次，电池不是与频率无关的电压源，在充电和放电时，产生电化学作用需要一定的时间，等效为电容与内阻并联。此外，在典型开关频率20kHz或更高时，电池有很大内阻抗。这是因为电池端子间，内部极板间存在小电感；例如，一个NiH（镍－氢）电池可能具有200nH的感抗，五个这样的电池串联（获得6V电压）有大约1μH电感。如果开关频率为200kHz，阻抗大约1Ω。所以这时电池不是理想电压源，不可能吸收你的变换器产生的开关纹波，为此，通常在电池的两端并联一个电容，减少内电感的影响。

    电池输出电流和输出电压的关系还与温度以及电池剩余电荷量有关。如果放电电流太大，会损伤电池。几乎所有电池，如果在远低于它的工作温度下放电，也会损坏电池。例如密封铅酸电池在低于－10℃不能工作,这就是为什么在很冷的天气发动不了你的汽车。
    制造厂标定电池的容量一般以电池具有的电荷量－安时（电流×时间＝电荷AH）来表示。这使得电源设计者感到为难，你不能够简单得到电池输出参数与多大能量的关系，因为它不等于电池容量乘以输出电压；何况输出电压又与输出电流有关。这些参数关系由制造厂以曲线形式提供的，而曲线似乎不能直接找到你设计需要的工作点，需要从这些曲线来回参照得到你需要的数据。你自己测试电池是不切实际的，因为每个制造厂制造的电池总有些小的差别，所以你不能假定每个电池具有相同的化学特性和安时定额，以及它们在同一场合具有相同的运行时间。
    另一个现象是自放电。如果你充好电的电池放置在那里，不接任何负载，它自己会逐渐失去存储的能量。失去能量所需要的时间与化学工作介质有关：如NiH电池24小时；密封铅酸蓄电池在温度25℃下约16月容量损失50%，温度升高10℃,时间缩短一半。而某些锂电池可达几年不等。所以放置不用的铅酸电池一般每3个月得进行充放电维护一次。
    电池不可能无限期充放电使用，电池也有寿命。在一定时间范围内，电池经过多次充电/放电周期以后，不再能存储额定容量，这个时间就是电池寿命的终止。它取决于电池如何工作，它经历了多少个充电/放电周期，放电的深度如何等等。例如，铅酸密封电池放电深度50%额定容量，充放电可达500～600次；放电深度100%，寿命仅200～300充放电周期。即使电池用于备份，所谓浮充状态（总是保持充满状态），在5～10年内也需要更换。
电池是一个不愉快的能源，它也是一个不舒服的负载。当你对电池补充充电－均衡充电时，你不能用一个电压源对其充电，因为电池充电电流与电压成指数关系，会造成充电电流热失控，将导致电池损坏。因此所有类型电池充电必须采取限流措施。如果电池充满，即达到额定电压时，应当转换到浮充电状态，补充自放电失去的能量，以保证电池保持满容量状态。
    手册中指定充电电流（放电电流也一样）称为“C”。1C定额是假定电池充电1小时达到电池的额定容量值：例如以1C（20A）对20AH电池充电一小时的电池容量为1×20A=20AH。铅酸电池通常均衡充电电流小于0.3C。均衡充电一般首先以0.15C恒流充电一定时间，当达到容量的90%后，再转换到恒压充电，进入浮充状态。浮充电压通常由生产厂家设置。环境温度25℃时，一般按单体电池电压2.23V～2.35V（大部分用2.23V～2.25V）之间设置浮充电压。环境温度每升高1℃,浮充电压下降0.005V。充满电时单体电池端电压在2.23V左右。过充电和充电电流过大都会损伤电池，使电池寿命大大缩短。电池充足后，维持自放电浮充电流，一般在0.05C以下。铅酸电池还不能过放电，一般认为单体电池端电压达到1.75V应当终止放电。所以，要正确使用电池应当对电池的充、放电电压、电流和容量（电流和时间积分）进行检测和控制，才能保证电池的长寿命。
    各种不同化学机理的电池－铅酸电池，锂电池，镍镉电池，锌－空气和镍氢（NiH）电池，无论那种，都具有自身的特性。所以你得花费一定时间去研究它们。最好的办法是去找愿意和你紧密合作的制造商，并认真地听取他们忠告。

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