電源輔助供電的意義以及要求

輔助供電的意義

電源在龐大而復雜系統中的作用，就猶如心臟之于人體的作用，心臟是維持人體血液循環與正常新陳代謝的唯一動力源泉，同樣電源是維持系統正常運轉能量的唯一來源，所以人們越來越重視電源。

但是人們卻往往忽略了電源本身也是一個復雜的系統，其內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，要想讓電源穩定可靠的工作，就必須有穩定可靠的輔助供電；電源本身的輔助供電設計，同樣是需要引起我們足夠的重視。

輔助供電的要求

高穩定性，高可靠性

能在不同的電氣與環境下，輸出穩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

結構簡單，成本低廉

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

不能給整機帶來明顯的成本提升

高效率，低功耗

隨著能源之星的要求越來越高，任何的電源都需要有極高的轉換效率，而且在待機時刻需要極低的功耗。

輔助供電設計的好壞直接決定產品能否達到能源之星的要求，特別是待機功耗的要求

抗干擾性強

當其它電路出現異常時，輔助電源不能受到干擾，需要提供穩定的電壓給保護電路，使電源迅速進入保護狀態，避免造成電源的損壞，或者給后端的負載造成損壞

自身不能產生強干擾

輔助供電部分自身不能產生對主電路的干擾信號

輔助供電的個繞組之間可能是相互隔離的，因此不能產生相互的干擾

易于設計與維護

電路的復雜程度越低，對于整機供電的可靠性就越高，設計周期越短

要便于生產維修與后期的維護

能抗短時過載的能力

在電源（特別是大功率電源）啟動時，各種監控，保護電路的電容電壓都是從0V開始上升，故需要較大的瞬時電流值

考慮到某些大動態場合對電源的瞬時輸出功率也有一定要求，所以在設計輔助供電電源的時候就需要有一定的裕量。

滿足相應的安規與EMC要求

輔助供電部分的安規等級要求必須與主機保持一致，必須滿足主機相應的安規標準要求，特別是一些獨立的輔助電源，在設計時候就需要考慮相應的安規標準要求

輔助供電EMC的特性也是在設計的時候需要考慮，一般為了節省成本都會跟整機的主EMC電路整合在一起，如果是單獨的輔助供電電源，則需要分開單獨調試EMC性能，以滿足要求

電源輔助供電的分類

獨立型

輔助供電電源獨立于功率主回路。能適應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，比如在通訊電源、ATX電源中，需要電源正常或失敗信號或電源遠程控制的功能時，在功率主回路即使不工作時，輔助電源也要正常供電。

非獨立型

由主變換器高頻變壓器輸出的一部分構成輔助電源。主要用于中小功率電源系統，有利于減小整個電源的體積，實現小型化，節約成本。特點是輔助電源與主變換器二者的工作狀態互相制約。如果輔助電源不給控制電路供電，主變換器將不工作。而當主電路不工作，輔助電路也隨之關閉。所以在電源的啟動階段需要一些方法給控制電路提供能量，然后過渡到正常的工作狀態。

不同輔助供電的設計方法

RC自舉啟動供電

RC自舉啟動+輸出自供電

RC自舉啟動后關閉+輸出自供電

上面三種供電方式的啟動損耗由上到下是依次降低的！

RC自舉啟動+反激式繞組自供電

設計注意點：

啟動從高壓（交流或者直流）取電自舉啟動IC工作，要注意啟動電阻的功率與耐壓問題，啟動電阻的阻值不能太小，否則會影響整機的待機功耗與短路功率

啟動電容要有足夠大的容量，以維持IC工作到次級建立正常的輸出電壓

RC自舉啟動+正激式繞組供電

特點：

輔助供電繞組跟初級繞組同相位

輔助供電電壓建立比較快

供電較為平穩，不受輸入電壓的影響

輸出短路或很低電壓時輔助供電一直有，可以同時保證其他電路正常工作

電路多一個整流管，多一個小電感

設計注意點：

續流小電感L1的值一定要足夠大，否則在輕載或者空載的時候，會出現電流不連續，導致Vcc電壓跳動

阻容降壓自供電

特點：

阻容降壓為恒流源供電，故供電電壓會受到輸入電壓的影響

阻容降壓不適合大功率的供電場合，因為恒流源不適合大動態的供電

設計注意點：

根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容

可以在降壓之后加入串聯穩壓電路或者三端穩壓器穩壓，或者串一個電阻

獨立式工頻變壓器輔助供電電源

特點：

電路結構簡單，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

輸出電壓會受到輸入電壓高低的影響，不適合寬范圍的電壓輸入

設計注意點：

設計工頻變壓器時需要充分的考慮到滿足各種安全規范中對絕緣和漏電特性的要求。

獨立式開關電源輔助供電電源

特點：

適合寬電壓輸入，轉換效率高

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、小巧性能穩定、制作及調試方便

設計注意點：

輔助電源的關鍵器件器件電壓應力要大于主電路的器件

設計之初需要考慮安規問題

電路布局要跟主電路有明顯的區分

耗盡型MOS自舉啟動+繞組供電電源

工作過程：

電源上電——經過啟動電阻，Q1，R8給C15充電——Vcc達到IC啟動電壓——IC開始工作——升壓電感開始工作——輔助供電繞組正常供電——Q3導通工作——輔助供電直接由供電繞組供電

同時IC的PWM信號通過D3，R24以及R26的分壓，Q5導通——Q1的柵極電壓被拉低——Q1的G極電壓低于其S極電壓——Q1關斷

BOOST PFC電路供電

PFC供電設計注意點：

PFC供電一般都是從升壓電感上加一個供電繞組，但此繞組的輸出電壓會受到輸入電壓的影響，因為此繞組的占空比跟輸入電壓存在一個比例關系

啟動電路也要考慮到寬范圍的輸入電壓帶來的影響

電荷泵輔助供電電路

特點：

可以把輸出電壓轉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 ，產生的EMI噪聲小，相對于串聯穩壓電路來說有較高的效率

設計注意點：

電荷泵轉換器所能達到的輸出負載電流較小，一般低于 300mA ，不能帶動大電流的負載

每個電容的電壓會跟電路占空比，本身容量有關

啟動后關閉啟動電路

工作過程：

電源上電——Q8柵極高電平——Q8導通——經R20給Vcc電容充電——Vcc達到IC啟動電壓——IC開始工作——變壓器開始工作——次級輸出建立正常的工作電壓——輔助供電繞組正常供電——Q9導通工作——Q10導通——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：

能提供較大的啟動電流，減少系統啟動時間

啟動之后可以關閉啟動電路，減少系統的損耗，提高效率

設計注意點：

Q10必須可靠的導通來拉低Q8柵極電位，否則容易燒啟動電阻R20

要注意Q10的耐壓問題

電池或超級電容供電電路

吸收電路供電電路

特點：

電容或者電池供電主要適用于需要持續供電，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，其供電能力跟開關頻率有關，跟占空比無關，適用于工作電流小的芯片供電

雙管反激輔助電源

電源Vcc的啟動過程與波形

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

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

T2時刻之后，輔助繞組開始供電，Vcc電容又電壓上升，此時電源供電全部由供電繞組提供，電源進入穩定工作狀態

電源為何會啟動時間過長？

電源的啟動時間一般是由初始的啟動電路決定的，比如簡單的RC啟動電路，其啟動時間是由R的大小與C的大小決定的。電源通過R給C充電到Vcc_th的時間越長，其啟動時間也就越長。

電源為何會啟動失敗？

主要是因為在t1-t2這段時間，如果電容不能提供足夠電源IC所需要的啟動電流，Vcc電容的電壓下降的值太多，即Vcc

關于IC啟動時間的計算

以上圖RC啟動電路為例來講解

t：IC啟動時間，單位s

R1：啟動電阻的阻值，單位Ω

C2：Vcc電容容量，單位F

Vin：輸入電壓，單位V

Von_th：IC啟動電壓門檻值，單位V

關于Vcc電容容量的計算

以上圖RC電路為例來講解

C3：Vcc電容容量，單位F

t1：IC開始啟動工作的時間點，單位s

t2：Vcc電容電壓下降最低點時刻，單位s

Ivcc：IC的啟動電流，單位A

Von_th：IC開始啟動工作電壓門檻值，單位V

Voff_th：IC關閉門檻值，單位V

總 結

輔助供電的設計不但影響到整個電源的體積、效率、穩定性、可靠性和成本，而且還將影響到整個開關電源的設計策略。

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

開關電源正向著輕、小、薄、高可靠、高穩定、高效率和智能化的方向發展，設計電源時應根據整個系統的規格要求來選擇合適的輔助電源系統，在滿足可靠性的前提下，應盡量設計簡單、輕巧和經濟的輔助電源。

審核編輯：湯梓紅