标签: 线性电源

在装有集成电路和微控制器的电子设备中，需要用到电压变化少的稳定直流。稳定电源分为线性电源和开关电源两种。相比于传统的线性电源，开关电源突破了性能极限，实现了革命性的小型、轻量、高效化。开关电源中凝结了供电技术的结晶。 线性AC适配器笨重的原因 AC适配器可将商用交流转换为直流，很适合用来讲解电源的基本技术。在以前，AC适配器大部分都很笨重，但现在它们已被替换为手机充电器那样小巧轻便的款式了。这是因为自2000年以来，它们从传统的线性式逐渐地换成了如今主流的开关式。 线性式和开关式的差别我们之后再详述，现在首先来介绍一下传统的简易AC适配器（省去稳定电路的简易线性电源）。这类AC适配器的特点是电路简单廉价，用于无线电话、台式电脑扬声器、电动工具等设备。虽然从外观上难以看出，但其重量和体积的大部分是线圈缠绕铁芯的电源变压器。这种电源变压器能将商用交流电压转换为低压，并利用了正向通行电流、逆向阻断电流的二极管性质，对交流电进行整流。 不过，就算经过了整流，电流也仍然是远不到直流程度的脉流，因此需要用包含电容器的平滑电路进行平整。储存电荷是电容器的基本性质之一。如图所示的整流电路使用了桥型二极管（全波整流式），即使交流电的方向改变，电容器中也始终通行同方向电流，从而储存电荷。因为周期性的电流增减，脉流的电压变化大，所以需要电容器释放储存起来的电荷，抑制电压变化。这便是平衡电路的作用，由于平滑电容器需要大容量，因此一般采用铝电解电容器。在平衡电路中，扼流线圈有时也会和电容器一起串联使用。这是利用了线圈妨碍电流变化的性质，以实现进一步的平滑。 数字化电子设备所必需的“直流稳定电源” 将商用交流转换为直流，这是以AC适配器为代表的AC-DC电源的基本功能。不过虽然统称为直流，但其质量却千差万别。在上述的AC适配器简易电路中，即使脉流经过平滑，也会留下水纹一样的残留波。而且商用交流的电压变化也会导致输出端直流电压的变化。这类变化对电池充电等功能还没多大影响，但却是低压驱动的集成电路故障的原因，因此就需要更加平坦而稳定的直流电。所以，具有稳定电路（regulator）的电源也称为稳定电源。 根据原理区别，稳定电源可大致分为线性电源和开关电源。线性电源是从真空管时代沿用过来的方式。其原理非常简单，就是在电路中插入可变电阻，由此来调整输出电压。而用来调整电源的是名为齐纳二极管和三端口集成电路（三端口稳压器）的元件。 齐纳二极管也称为稳压二极管。二极管一般用作整流元件，让一定方向的电流通行，并阻断反方向的电流。不过，逐渐增加二极管的反方向电压的话，它也会逐渐难以耐受，最后突然开始通行电流。齐纳二极管就是利用了这个现象，以某个电压值为界限允许电流流动，发挥稳压二极管的功能，这样就能稳定输出电压。 三端口集成电路可检测齐纳二极管的稳定电压（标准电压）和输出电压间的误差，并用晶体管增幅、修正它，从而使电压稳定。它将整个电路制作为片状，含有IN、OUT、GND（Ground）三个端口，所以叫做三端口集成电路。三端口集成电路体积小、使用方便，因此常用语电子设备中。不过它的热损耗较大，所以需要散热板来排热。因此，它不适用于大功率电源，但因为具有电路简单、噪声少的优点，可用于计量设备、医疗设备、高级音频设备等。 推动电源小型、轻量、高效化的开关电源 接下来，终于要介绍开关电源了。我们最常见的开关电源就是手机的充电器。其电路比上述的简易AC适配器复杂得多，但因为稳定电路的集成化，它如今已变得非常小巧。另外，它并不像简易AC适配器那样装有笨重的电源变压器，因此实现了大幅的小型、轻量化。 开关电源中凝结了过往的电力电子学技术的结晶。1960年代的真空管如今已换为半导体元件（二极管和晶体管等），但电源的小型化和高效化却并未有太大进展。这是线性电源的宿命。这是因为晶体管发热，就需要散热板排热，而电源变压器也依然笨重。 开关电源则通过与线性电源完全不同的方式，解决了这个问题（NASA的阿波罗计划推动了它的开发）。两种方式的第一点区别在于，线性电源是靠变压器将商用交流电转换电压后再整流，而开关电源是先将商用交流电整流为直流后，再转换电压。不过，整流后就没法靠变压器来转换电压了。于是，开关电源会通过半导体元件（晶体管或MOSFET）的高速开关切换，将整流后的电流转换为脉冲交流，再送往高频变压器。当然，这么做会让电路变复杂，元件数量也会增多。那么为什么这种麻烦的做法会是开关电源的重点所在呢？ 开关电源的控制方式有多种，最有代表性的就是PWM（脉冲幅度调制）式。它会调整脉冲波的幅度（开关ON/OFF周期中的ON时间），让各脉冲的面积相同，从而使电压稳定。在效率方面，线性电源会将部分电力会不断转换为热能舍去，从而保证电力稳定，因此效率怎样都没法提高，而开关电源类似于将电力剪切拼贴，没有无效输出，因此效率极高。 此外，变压器的大小与频率成反比。线性电源的变压器交流频率为50Hz/60Hz的低频，因此非常笨重，而开关电源的脉冲频率为数十-数百kHz的高频，因此变压器也小型而轻量。不过，在高频环境下，变压器磁芯的铁芯损耗会变大，变得无法使用。因此，铁氧体磁芯就变得不可或缺了。只要将电源效率提高1%，整个社会就能实现巨大的节能效果。在电力电子学的世界，TDK的铁氧体技术正是因此才受到了人们的深切期待。话虽如此，开关电源也是有弱点的。那就是高速开关切换产生的噪声。电源是对抗发热的战场，而开关电源的出现让它又成为了对抗噪声的战场。而在这方面，TDK的技术也能够大展身手。 来源：TDK

   噪声有些时候会对被测量造成一些难以预料的影响。在数字电路中，过高的噪声可能会引起误码；而在模拟电路中，如果噪声串入一些诸如放大器的电路，可能会使整个系统的特性发生变化。因此， 如果被测件对直流电源输入中的噪声敏感 ， 肯定需要尽可能地减少输入噪声。 为了达到这个目的，需要从多方方面来考虑。我们为概括了以下这三个最简单可行的步骤：   选择低噪声电源： 从纯净电源开始， 设法将噪声降至最低。       由于电源产生的噪声很难滤除 ， 需要选择一款极低噪声的纯净电源。线性电源往往能够满足这一需求；然而，线性电源的体积较大，容易产生大量的热， 效率低。因而，您还可以选择开关电源。现代开关电源技术已经有大幅提升 ， 输出的噪声可与线性电源相媲美。例如安捷伦的N6761A精密电源模块，其噪声的峰峰值小于4mV， 而有效值更是小于0.5mV.        选择具有低有效值和峰峰值电压噪声的电源， 仅仅是一个良好的开端。通过为被测件与电源之间建立恰当的引线连接 ， 也能最大限度地减少噪声。     屏蔽电源至被测件连接   电源与被测件之间的连接容易受到不同类型噪声的影响和干扰， 包括电感耦合、电容耦合和射频干扰。有很多降低噪声的方法，其中最有效的是确保电源与负载连接的导线和感应线全部使用双绞线，要求更高的在要考虑使用屏蔽电缆。   在使用屏蔽电缆时 ， 要确保将屏蔽的一端接地。如图 1 所示，   屏蔽的一端与电源的地接在一起 ， 否则会增加接地电容。      屏蔽电缆两端不得同时接地 ， 否则会形成接地回路电流。图 2 显示了电源接地和被测件接地之间的电位差所引起的接地回路电流。接地回路电流会在布线上生成电压，表现为被测件中的噪声。     图 2 ： 屏蔽线错误连到电缆的两端，会形成接地回路电流     平衡输出至接地阻抗   共模噪声是共模电流从电源内部流经接地回路时生成的噪声 ，共模电流 会在接地阻抗上和电缆阻抗上产生电压 。为了将共模电流的影响降至最低，需要对电源上的正负输出端的接地阻抗实施均衡。还应当对被测件正负输入端与接地之间的阻抗实施均衡。将共模扼流器与输出引线串联，并在每个接地引线上使用并联电容器，即可完成这个工作。   此外， 在考虑接地线的时候，必须考虑测试系统中，被测件和测试仪器共地，如图3所示。而且这个共地点，必须是一个非常干净的共地点，不能与其它大型设备，例如空气压缩机、贴片机、波峰焊等采用相同的接地。       程控电源技术和应用指南（1）–线性程控电源的工作原理 程控电源技术和应用指南（2）–程控开关电源的工作原理 程控电源技术和应用指南（3）- 恒压和恒流输出模式 程控电源技术与应用指南（4）- 纹波和噪声 程控电源技术与应用指南（5）- 超低纹波和噪声的精确测量方法   程控电源技术和应用指南（6）- 减小电源到被测件的噪声     程控电源技术和应用指南（7）- 电源的串联和并联    

没有必要把所有简单技术说复杂了，只是对细节的把握要更给予关注，十分感谢师傅当年让我学会用分立件搭个7805给他看看的想法。最近在设计大功率线性恒流恒压实验设备，领教了老师傅用大功率IGBT做调整管的设计水平，自己在电压电流环的采样提出了自己的想法，总算结束了，留下的是一打经验教训。 IGBT越来越便宜，喜欢设计大功率线性电源的师傅越来越少，希望自己过去的设计失误不再被别人重复。第一个图是电源主功率回路结构，选了便宜的IGBT作为调整管，由于IGBT的频响特性集中在几十K级，作为执行部件不是很快，所以整个控制环路中如果需要“快环”时应尽可能减少环路上的滞后环节选择，需要“慢环”控制的以稳定为前提，例如此系统中电流环一般都是慢环，呈现的控制的选择则是以弱积分加合适的比例作为设计原则。 而作为控制器组成的运放在频率特性方面要和执行器件IGBT之间的默契组合能让你完成性能价格比的最佳，用不到大马拉小车，也不要小马拉大车，综合考虑到系统稳定性等因素上图中的设计所选择的控制运放也就是比OP177类快点的即可，输出执行回路的不怕糙，LM258的双极运放皮实耐用，要比其他MOS类运放更适合于做执行部件的组成部分。   在输出上别忘了加上一级推挽提高驱动能力，可能有人说IGBT驱动不需要电流也行，实际不然，留着驱动没亏吃。图中R70,R71分压的作用实际是防止前端一旦失控12V电压直接加在IGBT驱动上导致IGBT全通，正常工作时IGBT驱动电压应该控制在线性区内，R70,R71实际也是一种保险手段。 上图中我在D20处的红叉处加入RC环节即可把电流环变成慢环，同样将C53加大也会有慢环的效果，但总体上个人感觉效果不如加RC在D20前好,也在琢磨区别。电压环上的许多电容实际上都是不焊接的，在系统发生不稳定时调整用。控制环上的参数调整尽量预留些空间，毕竟在几十毫安到几十安上要达到大范围的恒流，几伏到六十伏内恒压要达到很好的水平不是一套参数能够解决的，这也是为什么看到高砂的电源中控制环参数多样化的原因，实际上就是改变运放反馈臂上的电阻电容参数，而切换这些参数所用的方法尽量不要用模拟开关而是用微型继电器触点解决，尤其涉及积分回路的切换这方面还是要有所讲究。   图中的C56,C57对于系统来说不是什么好东西，在实验中曾经引起振荡，它们的存在影响了整个控制环的响应速度，在这个系统中电压环尽量稳快，电流环尽量稳定是目标，所以在策略中C56,C57是削弱这个的快，恒压时容易引起滞后类型的振荡。 除了图中所示的控制环中的结构问题引起振荡外，电压电流反馈环的中的环节滞后进而引起振荡有时也要通过通过调整控制环路参数和策略予以克服，但由于PI所能达到的控制能力有限，起到作用自然有限，合理利用控制策略加上合理的反馈通道设计时达到好性能的关键之一，系统自然也遵守着前向通道的飘是可以克服的而反馈通道上的漂移和不稳定则是最难解决的，不管你是什么控制类型。 这不一定完全合理和正确的想法，欢迎大家讨论。

工作的原因我需要用到很多大功率的恒流源做各种电池评估的实验，所以这些年来和很多开关电源厂家打过N多次交道，一直没搞懂这帮设计开关电源的为何要把一个输出达到15V 20A,30V 12.5A,60V 5A 的可调开关电源给设计成60V 20A的品种，大马拉小车，设计的结果不是纹波太大就是效率不高，而且电磁兼容也无从谈起。可作为仪器的执行设备，这电源设计是相当关键，国内对细节的重视程度远远不够，一个简单问题就是开关电源零电流起调怎么也做不好，另外温度稳定性不好，千分之一恒流精度也是空谈。 最近我忽然发现很少有人能修线性电源了，也很少有人去想结合日本电源或安捷伦电源的设计优点进一步完善我们自己的设计，我在朋友那里搞到了菊水的电源，高砂的，发现人家也没用1200W的变压器也实现了我上面说的那种输出，而且效率也在近八的水平。这让我很是奇怪国内的某些设计到底停留在何等水平，这不光是375W偏得设计成1200W的变压器的问题，没用线性调整也做到了50mv内的纹波，这更应该是水平问题。 在国内确实没找到一家能够设计好这东西的厂家，没办法自己动手开始设计。会把自己的结论一一总结出来，相信作自己为一个二把刀也能悟出一些想法。

世界性线性电源待机能耗难题已被解决 作者：何曙光 总工程师 沃能达科技有限公司 今年4月份开始，美国和欧盟将强制执行能源之星标准，这个标准对市面上所有的电源适配器都提出了硬性指标，要求电源适配器的待机功耗都要降到0.5瓦以下。目前高频开关电源适配器的这一问题已被安森美、PI和冠德电源等公司解决，但工频线性电源适配器的这一问题尚是一个世界性的难题，作为一种核心元件仍主要由硅钢片和铜线组成的传统变压器产品，仅仅依靠本身材料进步和技术改造，是很难达到0.3w这个待机能耗指标的。 尽管开关电源因它的优点已成为目前行业的主流发展趋势，但工频线性电源目前仍有差不多35%的市场份额，高端音响设备、高端医疗电子设备、军工产品和通讯产品仍必须使用线性电源，因为工频线性电源适配器能提供开关电源所做不到的很多独特性能，如特别高的可靠性、优秀电磁兼容性、很高安全性和更长的使用寿命等。此外，由于线性电源的这些独特优势，日常生活中的各种高端电器、安防设备、甚至儿童电子玩具也有着大量的应用。 由于全球约65%的工频线性电源适配器是在中国生产的，因此如果线性电源待机功耗达不到该标准，那么就面临在今年4月以后就将无法出口相关电子产品的问题，这种非关税的技术壁垒是中国电子制造业目前面临的一个亟待解决的问题。 这一技术瓶颈已被本土企业打破 现在深圳光华源科技有限公司和深圳市沃能达科技有限公司历时三年独力研发的一个电子元件“MEC厚膜集成电路”，成功地解决了线性电源待机能耗这一世界性技术难题。只要把它接入电源适配器中，电源待机能耗减就能达到国际标准，比节能倡议中的标准0.3W优化三倍以上，这款产品主要运用在工频线性电源适配器中。 目前该产品已经进入批量生产，其技术性能比世界上最苛刻的行业标准还优化三倍以上。应用和推广这项技术，将打破美国、欧盟对电器所设置的技术要求壁垒，为全球的节能减排带来决定性的希望。 MEC已通过美国UL认证 MEC厚膜集成电路是沃能达拥有全部自主产权的高新技术产品，它采用特殊工艺制作，成功解决了工频线性电源适配器的大待机能耗问题，对要求的功率段范围(3W到250W)均能够超过2013年的二期0.3W要求，通过测试，待机能耗普遍都能达到0.09W。现该产品已通过有关测试与认证，包括美国UL认证和中国赛宝实验室检验，现进入批量生产阶段，将该产品接入传统变压器中，就可使得待机能耗大大优于国际标准。 这项技术和产品为世界首创，成功地解决了工频线性电源适配器这个大类产品的世界性难题，为中国人在全球节能减排中做出表率。同时，拥有这项核心技术与自主知识产权，即可开发出系列应用产品，在空调、音响、电视机等民用产品中前景可观。 《 国际电子商情 》网站还将刊出MEC厚膜集成电路的工作原理和功能方框图，敬请继续留意。