電源輔助供電的意義以及要求

輔助供電的意義

電源在龐大而復(fù)雜系統(tǒng)中的作用，就猶如心臟之于人體的作用，心臟是維持人體血液循環(huán)與正常新陳代謝的唯一動(dòng)力源泉，同樣電源是維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)能量的唯一來(lái)源，所以人們?cè)絹?lái)越重視電源。

但是人們卻往往忽略了電源本身也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其內(nèi)部的各種不同電路模塊需要有合適的電壓與電流，且不同功能的電路模塊對(duì)電壓與電流的要求也是不同的，甚至是相互隔離的；總之，要想讓電源穩(wěn)定可靠的工作，就必須有穩(wěn)定可靠的輔助供電；電源本身的輔助供電設(shè)計(jì)，同樣是需要引起我們足夠的重視。

輔助供電的要求

高穩(wěn)定性，高可靠性

能在不同的電氣與環(huán)境下，輸出穩(wěn)定可靠的輔助電壓與電流

其本身的可靠性要求甚至比主電源更高

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉

必須以最少的器件達(dá)到額定要求，且要求不能占用太大的空間，也不能有太重的重量。

不能給整機(jī)帶來(lái)明顯的成本提升

高效率，低功耗

隨著能源之星的要求越來(lái)越高，任何的電源都需要有極高的轉(zhuǎn)換效率，而且在待機(jī)時(shí)刻需要極低的功耗。

輔助供電設(shè)計(jì)的好壞直接決定產(chǎn)品能否達(dá)到能源之星的要求，特別是待機(jī)功耗的要求

抗干擾性強(qiáng)

當(dāng)其它電路出現(xiàn)異常時(shí)，輔助電源不能受到干擾，需要提供穩(wěn)定的電壓給保護(hù)電路，使電源迅速進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，避免造成電源的損壞，或者給后端的負(fù)載造成損壞

自身不能產(chǎn)生強(qiáng)干擾

輔助供電部分自身不能產(chǎn)生對(duì)主電路的干擾信號(hào)

輔助供電的個(gè)繞組之間可能是相互隔離的，因此不能產(chǎn)生相互的干擾

易于設(shè)計(jì)與維護(hù)

電路的復(fù)雜程度越低，對(duì)于整機(jī)供電的可靠性就越高，設(shè)計(jì)周期越短

要便于生產(chǎn)維修與后期的維護(hù)

能抗短時(shí)過(guò)載的能力

在電源（特別是大功率電源）啟動(dòng)時(shí)，各種監(jiān)控，保護(hù)電路的電容電壓都是從0V開始上升，故需要較大的瞬時(shí)電流值

考慮到某些大動(dòng)態(tài)場(chǎng)合對(duì)電源的瞬時(shí)輸出功率也有一定要求，所以在設(shè)計(jì)輔助供電電源的時(shí)候就需要有一定的裕量。

滿足相應(yīng)的安規(guī)與EMC要求

輔助供電部分的安規(guī)等級(jí)要求必須與主機(jī)保持一致，必須滿足主機(jī)相應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是一些獨(dú)立的輔助電源，在設(shè)計(jì)時(shí)候就需要考慮相應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求

輔助供電EMC的特性也是在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮，一般為了節(jié)省成本都會(huì)跟整機(jī)的主EMC電路整合在一起，如果是單獨(dú)的輔助供電電源，則需要分開單獨(dú)調(diào)試EMC性能，以滿足要求

電源輔助供電的分類

獨(dú)立型

輔助供電電源獨(dú)立于功率主回路。能適應(yīng)非常寬的輸入電壓范圍，主要用于大功率或中功率電源系統(tǒng)，比如在通訊電源、ATX電源中，需要電源正?；蚴⌒盘?hào)或電源遠(yuǎn)程控制的功能時(shí)，在功率主回路即使不工作時(shí)，輔助電源也要正常供電。

非獨(dú)立型

由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構(gòu)成輔助電源。主要用于中小功率電源系統(tǒng)，有利于減小整個(gè)電源的體積，實(shí)現(xiàn)小型化，節(jié)約成本。特點(diǎn)是輔助電源與主變換器二者的工作狀態(tài)互相制約。如果輔助電源不給控制電路供電，主變換器將不工作。而當(dāng)主電路不工作，輔助電路也隨之關(guān)閉。所以在電源的啟動(dòng)階段需要一些方法給控制電路提供能量，然后過(guò)渡到正常的工作狀態(tài)。

不同輔助供電的設(shè)計(jì)方法

RC自舉啟動(dòng)供電

RC自舉啟動(dòng)+輸出自供電

RC自舉啟動(dòng)后關(guān)閉+輸出自供電

上面三種供電方式的啟動(dòng)損耗由上到下是依次降低的！

RC自舉啟動(dòng)+反激式繞組自供電

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

啟動(dòng)從高壓（交流或者直流）取電自舉啟動(dòng)IC工作，要注意啟動(dòng)電阻的功率與耐壓?jiǎn)栴}，啟動(dòng)電阻的阻值不能太小，否則會(huì)影響整機(jī)的待機(jī)功耗與短路功率

啟動(dòng)電容要有足夠大的容量，以維持IC工作到次級(jí)建立正常的輸出電壓

RC自舉啟動(dòng)+正激式繞組供電

特點(diǎn)：

輔助供電繞組跟初級(jí)繞組同相位

輔助供電電壓建立比較快

供電較為平穩(wěn)，不受輸入電壓的影響

輸出短路或很低電壓時(shí)輔助供電一直有，可以同時(shí)保證其他電路正常工作

電路多一個(gè)整流管，多一個(gè)小電感

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

續(xù)流小電感L1的值一定要足夠大，否則在輕載或者空載的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)電流不連續(xù)，導(dǎo)致Vcc電壓跳動(dòng)

阻容降壓自供電

特點(diǎn)：

阻容降壓為恒流源供電，故供電電壓會(huì)受到輸入電壓的影響

阻容降壓不適合大功率的供電場(chǎng)合，因?yàn)楹懔髟床贿m合大動(dòng)態(tài)的供電

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

根據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當(dāng)?shù)碾娙?/p>

可以在降壓之后加入串聯(lián)穩(wěn)壓電路或者三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，或者串一個(gè)電阻

獨(dú)立式工頻變壓器輔助供電電源

特點(diǎn)：

電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，供電電壓的紋波可以做到很小

電路的可靠性極高，適合惡劣的工作環(huán)境中使用

工頻變壓器的體積大，重量重，效率低，成本比較高

輸出電壓會(huì)受到輸入電壓高低的影響，不適合寬范圍的電壓輸入

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

設(shè)計(jì)工頻變壓器時(shí)需要充分的考慮到滿足各種安全規(guī)范中對(duì)絕緣和漏電特性的要求。

獨(dú)立式開關(guān)電源輔助供電電源

特點(diǎn)：

適合寬電壓輸入，轉(zhuǎn)換效率高

可以輕松的輸出幾組不同輸出電壓值，且相互隔離的輔助供電電壓

輕便、小巧性能穩(wěn)定、制作及調(diào)試方便

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

輔助電源的關(guān)鍵器件器件電壓應(yīng)力要大于主電路的器件

設(shè)計(jì)之初需要考慮安規(guī)問(wèn)題

電路布局要跟主電路有明顯的區(qū)分

耗盡型MOS自舉啟動(dòng)+繞組供電電源

工作過(guò)程：

電源上電——經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻，Q1，R8給C15充電——Vcc達(dá)到IC啟動(dòng)電壓——IC開始工作——升壓電感開始工作——輔助供電繞組正常供電——Q3導(dǎo)通工作——輔助供電直接由供電繞組供電

同時(shí)IC的PWM信號(hào)通過(guò)D3，R24以及R26的分壓，Q5導(dǎo)通——Q1的柵極電壓被拉低——Q1的G極電壓低于其S極電壓——Q1關(guān)斷

BOOST PFC電路供電

PFC供電設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

PFC供電一般都是從升壓電感上加一個(gè)供電繞組，但此繞組的輸出電壓會(huì)受到輸入電壓的影響，因?yàn)榇死@組的占空比跟輸入電壓存在一個(gè)比例關(guān)系

啟動(dòng)電路也要考慮到寬范圍的輸入電壓帶來(lái)的影響

電荷泵輔助供電電路

特點(diǎn)：

可以把輸出電壓轉(zhuǎn)換成近兩倍的輸入電壓，即VOUT≈2VIN

最大限度地降低輸出電壓紋波 ，產(chǎn)生的EMI噪聲小，相對(duì)于串聯(lián)穩(wěn)壓電路來(lái)說(shuō)有較高的效率

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

電荷泵轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的輸出負(fù)載電流較小，一般低于 300mA ，不能帶動(dòng)大電流的負(fù)載

每個(gè)電容的電壓會(huì)跟電路占空比，本身容量有關(guān)

啟動(dòng)后關(guān)閉啟動(dòng)電路

工作過(guò)程：

電源上電——Q8柵極高電平——Q8導(dǎo)通——經(jīng)R20給Vcc電容充電——Vcc達(dá)到IC啟動(dòng)電壓——IC開始工作——變壓器開始工作——次級(jí)輸出建立正常的工作電壓——輔助供電繞組正常供電——Q9導(dǎo)通工作——Q10導(dǎo)通——Q8柵極被拉低電平——Q8截止——輔助供電直接由供電繞

組供電

特點(diǎn)：

能提供較大的啟動(dòng)電流，減少系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間

啟動(dòng)之后可以關(guān)閉啟動(dòng)電路，減少系統(tǒng)的損耗，提高效率

設(shè)計(jì)注意點(diǎn)：

Q10必須可靠的導(dǎo)通來(lái)拉低Q8柵極電位，否則容易燒啟動(dòng)電阻R20

要注意Q10的耐壓?jiǎn)栴}

電池或超級(jí)電容供電電路

吸收電路供電電路

特點(diǎn)：

電容或者電池供電主要適用于需要持續(xù)供電，且供電的電流不大的電路中

吸收電路供電，能夠提供的能量有限，其供電能力跟開關(guān)頻率有關(guān)，跟占空比無(wú)關(guān)，適用于工作電流小的芯片供電

雙管反激輔助電源

電源Vcc的啟動(dòng)過(guò)程與波形

t0-t1，電源通電，Vcc電容電壓從最初的0V開始上升，當(dāng)Vcc達(dá)到IC的Von_th (具體可以查IC的datasheet)之后，IC開始啟動(dòng)工作

t1-t2， IC啟動(dòng)工作之后，需要消耗一定的電流(具體可以查IC的datasheet)，此時(shí)提供電流的主要是由Vcc電容，所以Vcc電容的電壓會(huì)下降；直到t2時(shí)刻，輔助繞組開始供電。

T2時(shí)刻之后，輔助繞組開始供電，Vcc電容又電壓上升，此時(shí)電源供電全部由供電繞組提供，電源進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)

電源為何會(huì)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)？

電源的啟動(dòng)時(shí)間一般是由初始的啟動(dòng)電路決定的，比如簡(jiǎn)單的RC啟動(dòng)電路，其啟動(dòng)時(shí)間是由R的大小與C的大小決定的。電源通過(guò)R給C充電到Vcc_th的時(shí)間越長(zhǎng)，其啟動(dòng)時(shí)間也就越長(zhǎng)。

電源為何會(huì)啟動(dòng)失?。?/p>

主要是因?yàn)樵趖1-t2這段時(shí)間，如果電容不能提供足夠電源IC所需要的啟動(dòng)電流，Vcc電容的電壓下降的值太多，即Vcc

關(guān)于IC啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算

以上圖RC啟動(dòng)電路為例來(lái)講解

t：IC啟動(dòng)時(shí)間，單位s

R1：?jiǎn)?dòng)電阻的阻值，單位Ω

C2：Vcc電容容量，單位F

Vin：輸入電壓，單位V

Von_th：IC啟動(dòng)電壓門檻值，單位V

關(guān)于Vcc電容容量的計(jì)算

以上圖RC電路為例來(lái)講解

C3：Vcc電容容量，單位F

t1：IC開始啟動(dòng)工作的時(shí)間點(diǎn)，單位s

t2：Vcc電容電壓下降最低點(diǎn)時(shí)刻，單位s

Ivcc：IC的啟動(dòng)電流，單位A

Von_th：IC開始啟動(dòng)工作電壓門檻值，單位V

Voff_th：IC關(guān)閉門檻值，單位V

總 結(jié)

輔助供電的設(shè)計(jì)不但影響到整個(gè)電源的體積、效率、穩(wěn)定性、可靠性和成本，而且還將影響到整個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)策略。

雖然輔助電源所需要輸出功率不大，但它是開關(guān)電源中的非常重要的組成部分，輔助電源系統(tǒng)的安全性、可靠性對(duì)主電源正常運(yùn)行具有重要的影響。

開關(guān)電源正向著輕、小、薄、高可靠、高穩(wěn)定、高效率和智能化的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)電源時(shí)應(yīng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)格要求來(lái)選擇合適的輔助電源系統(tǒng)，在滿足可靠性的前提下，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輕巧和經(jīng)濟(jì)的輔助電源。

審核編輯：湯梓紅