测控系统原理与设计 第1章 电源设计.ppt

第一章电源设计,电源的作用以及设计流程线性电源原理及设计开关电源原理及设计,1-1-1电源在系统中的作用与电源设计问题,电源在系统设计中占有非常重要的地位，可以认为是系统的心脏，给系统提供动力。,电气设备故障类型中有约60以上的故障属于电源故障。,,高故障率的几点原因,设计时没有得到应有的重视；没有人愿意做这一部分，而且拥有电源方面专业知识不足；在系统调试阶段一般采用通用电源调试，在产品集成的时候才发现问题；电源本身是发热部分，对元器件选型和散热工艺有要求，容易出故障；,谁设计，谁维修（终身）,设计前需要考虑的问题,从市场角度出发（1）有何需求（2）采用何种方式的设计方法（3）满足何种安规要求（4）如何维护（5）工作环境（6）降额程度,设计前需要考虑的问题,从产品其他部分的设计者角度出发（1）系统采用的电路技术（2）负载工作的极限条件电压，电流，冲击（3）敏感电路的处理（4）各部分的时序配合（5）空间尺寸散热，安装工艺（6）特殊接口要求,1-1-2电源的结构类型,集中式电源系统,由一个功能模块组成，在使用中不可分割，如移动电话，显示器等,分布式电源系统,由不同模块组成，可以重新装配,效率高，灵活性差,效率低，灵活性好,优化方案两种结构的结合,工程师的座右铭,“生活是一种折中，设计也是一种折中”,希望设计一个能够完全满足其他领域工程师所要求的系统几乎是不可能的（成本，空间重量，能够满足各种应用要求）,实际设计需要作出折中的选择,1-1-3选择适当的电源技术,成本重量和尺寸内部发热量输入电源特性负载的噪声容限电池寿命（便携式产品）需要输出电压的组数和输出特性产品投向市场的时间（设计周期）,为系统中的每一路电源选择合适的技术需要考虑的因素,三种常用的电源技术,线性电源,脉宽调制PWM开关电源,谐振开关电源,,三种技术各有特点，采用何种方式需要综合考虑,技术含量，成本，效率,三种电源技术的比较,一般来说指标的确定是由需求得来的，而需求部门的工程师很少懂技术，因此需要区分理想化的指标和合理的指标之间的关系。,1-1-4电源系统的设计指标,必须先要了解电源领域里使用的术语,1-1-5模块化的电源设计方法,为产品选择一个合适的技术和拓扑,根据设计指标和要求完成黑箱估计,按照设计流程分模块设计电源,搭建实验电路板,实验，实验，再试验,确认结构设计以及PCB板,EMI/EMC测试,产品发布,GameOver,,,1-2线性电源介绍,缺点发热量大，体积大主要应用在效率要求不高的场合；或者对电气噪声比较敏感的设备；或者功率较小（10W以下）的板载电源,1-2-1线性电源的基本工作原理,电源共性都有一个闭环负反馈，用于稳定输出电压,串联式线性电源,串联式线性电源特点,电压调整单元与负载串联，电压调整单元采用有源器件；调整单元工作在线性模式，处于“部分导通”状态（相当于可变电阻）；负反馈的核心是高增益运算放大器；比并联式线性电源效率高；,1-2-2线性电源设计的总体考虑,必须要满足极限工作条件和相关的技术参数,不能在整个技术指标范围内满足,,,（1）调整电压的考虑正常工作时输入电压和输出电压之间的电压降。功耗计算这个损耗决定了调整管上需要多大的散热器（热设计）如果系统不能将最高环境温度时由损耗产生的热量散发，就要重新考虑方案。,（2）线性电源某个特定拓扑的最小电压差线性电源所能承受的最小调整电压，低于该电压值那么电源就不能正常工作。最小压差仅仅与调整管取得驱动电流和电压的方式有关。基射电压是由它自身的集射级电压获得，调整管电压一般为1.82.5V，或者更高,NPN调整管,低电压差调整电源（LDO技术）,从输出电压取得基射电压，调整管电压差较低，最小0.6V；,PNP调整管,最低压差小于0.6V,（3）使用的调整管类型对于调整电压损耗来看，使用双极型功率晶体管或者MOSFET没有差别，区别在驱动电路的功耗和驱动电压等级。在大多数场合一般采用双极型晶体管在效率相同条件下价格便宜，而且不易振荡。,1-2-3常见线性电源设计举例,（1）稳压二极管并联调整电源,主要用在负载小于200mW局部调节,1-2-3常见线性电源设计举例,（2）单晶体管串联型线性电源,调节过程当输出负载电流增大时，基极电压提高，晶体管的导通程度加大，使得电压恢复原来的值。,1-2-3常见线性电源设计举例,（3）基本三端正稳压电源设计,容易忽视元器件的热降额设计,1-2-3常见线性电源设计举例,（4）扩流三端稳压电源,在三端稳压电路上增加一个电阻和功率晶体管，能够向负载提供更大电流。,1-3脉宽调制（PWM）开关电源简介,在相同功率容量下开关电源比线性电源的效率高，体积更小，但是设计比较复杂，而且电磁干扰更加严重（EMI）开关电源的设计有两种途径（1）利用半导体器件商的数据手册和设计指南；（2）特殊要求时需要自行设计；,1-3-1开关电源的基本原理,伏-安乘积功率管在工作期间的两端电压和流过的电流的乘积；斩波把输入的直流电压通过控制斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压；,效率高，体积小,两个重要的概念,正激式变换器结构拓扑（buck）,升压式变换器（boost）,电流断续模式,电流连续模式,典型反激式电路拓扑,应用最为广泛,topswitch,1-3-2开关电源设计步骤框图,,,PWM开关电源的功能框图,1-3-3选择快关电源拓扑结构,在要求的成本范围内性能最好,1-3-4典型集成小功率开关电源模块,1-3-5典型topswitch开关电源设计原理,作业,（1）微机化测控系统有哪几种类型说明特点并画出组成框图。（2）电源设计前需要考虑哪些方面（3）电源一般有哪几种类型其优缺点是什么（4）查找一款LDO电源，根据数据手册说明其关键的技术参数。,第一章结束,