为什么照明用LED都是电流驱动?考验开关电源性能的“7个”概念
mouser 2021-09-27

一、纹波与噪声

1、纹波

开关电源的输出并不是真正恒定的,输出存在着周期性的抖动,这些抖动看上去就和水纹一样,称为纹波。纹波可以是电压或电流纹波。

通常用2个参数来描述纹波:

1)最大纹波电压:纹波的峰峰值。

2)纹波系数:交流分量的有效值与直流分量之比。

“”

2、纹波产生的原因

开关电源的纹波来自2个地方:

1)低频纹波:来自AC输入的周期,电源对输入的抑制比不是完美的,当输入变化,输出也会变化。

2)高频纹波:来自开关切换的周期,开关电源不是线性连续输出能量,而是将能量组成一个个包来传输,因此会存在和开关周期相对应的纹波。

如果是线性电源,是没有开关纹波的,只有低频纹波。

“”

3、纹波的影响

最大纹波会决定输出的峰值,本来输出是稳定的某个电压或电流,由于纹波的影响,使得输出的峰值比平均值高,这可能会损坏负载。

比如,对LED来说,过高的电流会减少LED的寿命。

过大的纹波系数会使得输出的能量不均衡平滑,从而偏离了直流输出这个要求。

比如,对LED来说,过大的纹波系数会使得LED亮度变化,造成闪烁。

如果开关电源用来驱动电池,LED灯这种负载,低频纹波的影响更大,如果是驱动IC这种高速型负载,高频纹波的影响更大。

4、纹波与噪声

纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动,而噪声是随机耦合到输出上的高频信号,是不一样的。

“”

二、调整率

1、调整率

电源在使用时,有两个明显变化的外部条件:输入和负载。好的电源应该在输入和负载发生变化时,依然能维持恒压或恒流。

将输入或负载变化时,输出偏离额定输出的程度称为调整率,比如输入在最大最小值之间变化,测量输出的偏差比率,为一个百分比,比如5%,就称为调整率为±5%。

注意区分调整率和纹波,纹波是输出的动态特征,而调整率是让电源工作在极限外部条件下,输出的极限偏差。

“”

2、调整率类型

1)输入调整率

其他条件不变,调节输入时,输出的偏差,对于AC电源来说,是以AC线的有效电压作为变化区间,比如以180~264作为上下限来变化。

有时还会调节AC的频率,来看输出是否有偏差,比如从47~63Hz区间。

2)负载调整率

其他条件不变,调节负载时,输出的偏差。

3)综合调整率

同时调节输入和负载,找出最差的偏差。

三、恒流

1、LED恒流驱动

为什么照明用LED都是电流驱动?

LED是二极管,而二极管的PN结的正向导通阻抗是负温度系数,随着温度的升高,二极管正向导通阻抗降低。

如果用恒压源驱动LED,随着LED工作,温度开始升高,温度升高后,正向导通阻抗降低,由于I=U/R,电流升高,且由于功率P=U*I,功率也增加,LED发热更厉害,进一步刺激温度升高,陷于恶性循环,直到LED损坏。

恒压源驱动时,温度和电路是一对正反馈。

所以照明LED都是恒流驱动,如果是非照明,LED几乎没有温升,此时可以用恒压驱动。

2、恒流精度

恒流精度和其他的恒压效果一样,体现在几个方面。

1)当负载发生变化时,电源输出的电流的恒定程度。

在实际应用时,多个不同的LED串不可能阻抗特性完全相同,将这些不同的负载接到电源上后,电流的误差就定义为恒流精度。

不光是多负载,同一个LED,温度不同时,阻抗特性也不同,不同温度下电流也是有误差的,但这和前面的条件本质还是一样,都是负载变化。

因此在测试恒流精度时,需要使用电子负载,让负载在合理的范围内变化,测量电压的电流误差。

2)当电源内部元件参数变化时,电源输出的电流的恒定程度。

这并不是标准的恒流精度的定义,但目前很多电源都是有这个要求,其中一个重要的指标是储能元件,比如电感,或变压器,感值存在误差时,电源输出电流的恒定度。

考虑到成本因素,储能元件在加工时偏差是很大的,所以,电源应当设计成对储能元件的感值不敏感。

3、锂电池恒流驱动

便携式设备所用的锂电池,在不同电量的情况下,电压是不同的,以手机所用的锂电池为例,电池在满能量时约4.2V,低能量时约2.5V。

如果使用恒压源对电池充电,当电池电量较低时,充电电流会极大,相当于电压源接到电容上,会损坏电池。

损坏的原因是大电流带来的大发热。

为了限制大电流,目前的充电器都是使用恒流-恒压充电,当电池电压低时,使用恒流输出。

四、冲击与浪涌

1、冲击电流

如果负载为一个容性负载,将一个电压源直接加到负载上时,会产生一个非常大的电流,这个电流就称为冲击电流。

过大的冲击电流会使得交流线上的保护电路识别为短路,会导致空气开关跳闸,熔断保险丝等问题。

对于AC电源来说,将电源接到AC线上的一瞬间,AC电源本身就是一个容性负载,假如此时电源的负载处在满负荷状态,且AC线正处在峰值电压处,会产生最大的冲击电流。

“”

2、浪涌(电压)

闪电,雷击等会在电网上制造时间非常短的高电压脉冲或者高能量脉冲。

这种过压通常是由专门的保护器进行保护,比如浪涌放电器。

大功率设备断开或接入电网时,会使得电网电压上升或跌落。为了保护电源,有时会使用一个压敏电阻接在输入端。

压敏电阻的阻值和其上的电压有关,当电压变大时,阻值降低。

为什么压敏电阻不能包含雷击等产生的脉冲,因为这种浪涌有可能是同时出现在L线和N线上的。

“”

五、效率与待机功耗

1、效率和待机功耗

这两个概念很简单,但有一点需要理清,就是电源在工作时:

“”

虽然待机功耗就是电源本身的全部损耗,但是在电源带负载时,电源本身的功耗要大于待机功耗。

电源本身的功耗主要来自于电感/变压器的损耗,开关管的损耗,二极管的损耗,这些损耗都和切换频率有关,而目前的开关电源,在输出功率很低时,都会将频率降低以节能,所以电源本身的功耗在带负载工作时和待机时是完全不同的。

但是效率是随着负载消耗增加而升高的,这个很好理解,待机时效率为0,而带负载时,电源本身功耗的增加跟不上负载消耗的增加。

六、ESR

1、电容ESR

开关电源都需要在输出加一个电容,将切换电路投递过来的断续能量平滑成稳定的线性输出,这个电容的重要性不言而喻。

一个非理想因素就是所有的电容都有等效串联电阻(ESR),这个电阻会导致一系列问题。

电容稳压的原理就是当VO电压上升时,吸入电流,将能量存储于电容,当VO电压下降时,吐出电流,释放能量。这个过程中,电流始终流过ESR。

“”

2、ESR导致的纹波

ESR是输出高频电压纹波的罪魁祸首,当电容储能和释能时,电流方向相反,因此输出在VO=VC VESR,和VO=VC VESR之间切换,ESR越大,纹波电压越大。

“”

3、电解电容ESR的危害

为了降低成本,通常输出电容会使用偏移的电解电容,但是电解电容的ESR是较高的。

ESR大小:电解电容>钽电容>陶瓷电容。

对于电解电容来说,高纹波电压倒在其次,要命的是ESR会导致电容发热,电流越大,发热越厉害,发热越厉害,电解电容的电解液蒸发得越快,随着电解液的蒸发,ESR加大,发热更高,陷入恶性循环。

电解电容本身就寿命不高,是电源系统中寿命最短的器件,由于ESR导致的发热,会加快电解电容报废,所以开关电源随着时间的推移,纹波电压会越来越大。

4、解决ESR的问题

解决方法是降低ESR阻值或降低流过ESR的电流,降低流过ESR的电流比较麻烦,比较简单的方法是降低ESR阻值。

可以采用低ESR的电解电容替代普通电容,或者用多个电容并联来替代单个电容。

多个电容并联的方法缺点是占用大量的空间,在小体积电源中应用受限,所以有时会用陶瓷和电解电容并联的方法,甚至用一种多层陶瓷电容替代多个陶瓷电容。

“”

七、动态

1、动态响应

通常动态响应特指电源的输入,负载阶跃变化所导致的输出被扰动后恢复正常的过程。

AC电源的输入为不间断交流,一般不关心输入的阶跃变化,动态响应通常仅限于描述负载在一定范围内变化时的响应。

通常定义空载为0%,满载为100%,然后用负载在某2个百分比之间的切换来定义负载变化。

常用的负载变化有0-100、10-90、20-80、25-75,取决于应用,对于充电器这类需要热插拔的应用,最大的变化在0-100。

2、动态响应的指标

动态响应一般有2个指标,一个叫过冲幅度,另一个叫稳定时间。

过冲幅度定义为输出偏离稳定值的幅度,有上冲和下冲。

稳定时间是负载开始变化到输出达到能接受的范围内的时间。

“”

3、动态响应和阶跃响应

阶跃响应,指的是输入阶跃,输出跟着阶跃,也就是说输出要尽快的变到目标值,而动态响应指的是负载阶跃,输出要尽快的稳定下来。这两者在形式上不同,但本质是相同的。

以恒压输出为例,当负载突变时,为了维持电压恒定,需要调整电流,电流调整的过程,通过负载就会表现出电压的波动,所以,负载的动态响应,其本质就是负载-输出电流这个传递函数的阶跃响应。

“”

4、动态响应的系统框图

将Load视为输入,IOUT和VOUT视为输出。

将Load视为输入后,REF就是固定值,整个系统的传递函数变为Load-IOUT的传递函数。

对于负载非阻性的应用,比如电池等,也将其模拟为电阻。

将一般性电源系统适用于动态响应的系统框图重画如下:

“” 

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 电源
  • DC
  • AC
  • 稳压
  • 三相PWM整流拓扑(仿真代码)

    OBC用三相PWM整流拓扑主要原因是可以双向变换,后面DCDC再用三相CLLC就能完美配合。

    08-09
  • 开关电源常见的基本拓扑结构

    1、基本名词     常见的基本拓扑结构     ■Buck降压     ■Boost升压     ■Buck-Boost降压-升压     ■Flyback反激     ■Forward正激     ■Two-Transistor Forward双晶体管正激     ■Push-Pull推挽     ■Half Bridge半桥     ■Full Bridge全桥     ■S

    05-10
  • LLC开关电源计算过程推导

     免费申请开发板  推荐阅读: 点击下方『面包板社区』卡片关注我们, 每天学点电子技术干货 ▲ 点击关注,后台回复"关键词",领取300 G学习资料包!  内容合作 | 视频、课程合作 | 开发板合作| 转载开白  请联系小助手微信:15889572951(微信同号) 点击阅读

    05-06
  • 移相全桥电源12种工作模态

    在早期的大功率电源(输出功率大于1KW)应用中,硬开关全桥(Full-Bridge)拓扑是应用最为广泛的一种,其特点是开关频率固定,开关管承受的电压与电流应力小,便于控制,特别是适合于低压大电流,以及输出电压与电流变化较大的场合。但受制于开关器件的损耗,无

    05-07
  • 大牛总结:六种DC/DC变换电路分析比较

    基本原理 直流-直流降压变换器(BUCK变换器) 直流-直流升压变换器(BOOST变换器) 直流降压升压变换器(BUCK-BOOST变换器) 直流升压降压变换器(CUK变换器) 两象限/四象限直流-直流变换器 单端正激变换器 单端反激变换器 *本文系网络转载,版权归原作者所有,如有

    04-29
  • 肖特基二极管有什么特别之处?

    注| 文末留言有福利 提到低功耗、大电流、超高速半导体器件,很多工程师同学肯定能首先想到肖特基二极管(SBD)。 但是你真的会用肖特基二极管吗?和其他的二极管比起来,肖特基二极管又有什么特别之处呢?下面一起来 划重点 吧! 0 1 肖特基二极管的关键参数

    04-27
  • 分析实例:了解DC/DC变换器一些常见的问题

    先介绍几个应用实例从这些应用实例中,了解如何分析DC/DC变换器设计中的问题及解决方法,从常见的buck电路,在平时设计和调试过程中,从DCDC变换器性能,功能设置,控制环设计,板子布局和测试技巧,通过这些分析实例能了解DCDC电路中在试机阶段快速解决掉一

    04-26
  • 图解BUCK电路及PCB布局

    Buck架构: 当开关闭合的时候: 当开关断开的时候: 根据伏秒平衡定理可得: (Vin-Vout)*DT=Vout(1-D)T===>Vin/Vout=D<1 在实际DCDC应用中: 当Q1闭合的时候,在图1-a中,红线示出了当开关元件Q1导通时转换器中的主电流流动。CBYPASS是高频的去耦电容器,CI

    04-25
  • 开关电源公式与对应电路

    1 Buck 变换器的功率器件设计公式 (1):Buck 变换器的电路图: (2):Buck 变换器的主要稳态规格: (3):功率器件的稳态应力: -- 有源开关 S: -- 无源开关 D: 上述公式是稳态工作时,功率器件上的电压、电流应力。选择功率器件时,其电压耐量可放一个

    04-23
  • 为什么PWM驱动芯片用图腾柱?

    推挽电路的应用非常广泛,比如单片机的推挽模式输出,PWM控制器输出,桥式驱动电路等。推挽的英文单词:Push-Pull,顾名思义就是推-拉的意思。所以推挽电路又叫推拉式电路。 图1:锯木头 推挽电路有很多种,根据用法的不同有所差异,但其本质都是功率放大,增

    04-23
  • 开关电源的输入滤波器(共模、差模)

    开关电源的输入滤波器 开关电源的输入滤波器是针对共模噪声和差模噪声,分别采用适合不同噪声特性的滤波器。 差模滤波器 共模滤波器采用电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等。图例中是使用了LC的π型滤波器。各部件对噪声具有如下作用: 电容器:将噪声电流旁路

    04-21
  • 入门级电源工程师常遇到的问题

    先上图 一些入门级的电源工程师常遇到这样一个问题,在电路图中的Vcc接芯片的地方加入了一个12V左右稳压管。目的是为了保证芯片的电压上限,意图很明确,稳压管能够保护芯片不会因为电压过高问题而烧毁。看上去没啥毛病,但实际上很危险。 我们一起来初步分析

    04-19
下载排行榜
更多
EE直播间
更多
广告
X
广告