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    開關電源廠家,基立電源ENGLISH
    什么是開關電源?
    2018-11-5      瀏覽次數:1745

    開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源,電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關電源,這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術也在不斷地創新,這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動,這為開關電源提供了廣闊的發展空間。 

      開關電源高頻化是其發展的方向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

      開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBTMOSFET。

      SCR在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用,GTR驅動困難,開關頻率低,逐漸被IGBT和MOSFET取代。

      開關電源的三個條件

      1、開關:電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態

      2、高頻:電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

      3、直流:開關電源輸出的是直流而不是交流


    開關電源的分類 

      人們在開關電源技術領域是邊開發相關電力電子器件,邊開發開關變頻技術,兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現已實現模塊化,且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。 

      2.1 DC/DC變換 

      DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調制方式,ton不變,改變Ts(易產生干擾)。其具體的電路由以下幾類: 

     ?。?)Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓 

      U0小于輸入電壓Ui,極性相同。 

     ?。?)Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓 

      U0大于輸入電壓Ui,極性相同。 

     ?。?)Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其 

      輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。 

     ?。?)Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電 

      壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。 

      還有Sepic、Zeta電路。

      上述為非隔離型電路,隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。

      當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍,美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3,效率為(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列,其開關頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管),使整個電路效率提高到90%。 

      2.2AC/DC變換 

      AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關使得電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。 

      AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數可分為,單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。 

      開關電源的選用 

      開關電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路結構的特點(多級串聯),一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過,在輸出電壓穩定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優勢,其輸出電壓穩定度可達(0.5~1)%。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件,在選用中應注意以下幾點: 

      3.1輸出電流的選擇 

      因開關電源工作效率高,一般可達到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流,以使被選用的開關電源具有高的性能價格比,通常輸出計算公式為: 

      Is=KIf 

      式中:Is—開關電源的額定輸出電流; 

      If—用電設備的最大吸收電流; 

      K—裕量系數,一般取1.5~1.8; 

      3.2接地 

      開關電源比線性電源會產生更多的干擾,對共模干擾敏感的用電設備,應采取接地和屏蔽措施,按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制,開關電源均采取EMC電磁兼容措施,因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源,將其FG端子接大地或接用戶機殼,方能滿足上述電磁兼容的要求。 

      3.3保護電路 

      開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能,故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊,并且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設備或開關電源。 

      開關電源技術的發展動向 

      開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化,因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體(MnZn)材料上加大科技創新,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創新,實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術,并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標,美國的開關電源生產商通過降低運行電流,降低結溫等措施以減少器件的應力,使得產品的可靠性大大提高。 

      模塊化是開關電源發展的總體趨勢,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統,可以設計成N+1冗余電源系統,并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點,若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉換電路技術,在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題,故仍需在這一領域開展大量的工作,以使得該項技術得以實用化。 

      電力電子技術的不斷創新,使開關電源產業有著廣闊的發展前景。要加快我國開關電源產業的發展速度,就必須走技術創新之路,走出有中國特色的產學研聯合發展之路,為我國國民經濟的高速發展做出貢獻。 

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      開關電源 測試方法

      一. 耐電壓

     ?。℉I.POT,ELECTRIC STRENGTH ,DIELECTRIC VOLTAGE WITHSTAND)KV

      1.1 定義:于指定的端子間,例如:I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG間,可耐交流之有效值,漏電流一般可容許10毫安,時間1分鐘。

      1.2 測試條件:Ta:25攝氏度;RH:室內濕度。

      1.3 測試回路:

      1.4 說明:

      1.4.1 耐壓測試主要為防止電氣破壞,經由輸入串入之高壓,影響使用者安全。

      1.4.2 測試時電壓必須由0V開始調升,并于1分鐘內調至最高點。

      1.4.2 放電時必須注意測試器之Timer設定,于OFF前將電壓調回 0V。

      1.4.3 安規認證測試時,變壓器需另行加測,室內 ,溫度25攝氏度,RH:95攝氏度,48HR,后測試變壓器初/次級與初級/CORE。

      1.4.5生產線測試時間為1秒鐘。

      二.紋波噪聲(漣波雜訊電壓)

     ?。≧ipple & Noise)%,mv

      2.1定義:

      直流輸出電壓上重疊之交流電壓成份最大值(P-P)或有效值。

      2.2測試條件: 

      I/P: Nominal

      O/P : Full Load

      Ta : 25℃

      2.3測試回路:

      2.4測試波形:

      2.5說明: 

      2.5.1示波器之GND線愈短愈好,測試線得遠離PUS。

      2.5.2使用1:1之Probe。

      2.5.3 Scope之BW一般設定于20MHz,但是對于目前的網絡產品測試紋波噪聲最好將BW設為最大。

      2.5.4 Noise與使用儀器,環境差異極大,因此測試必須表明測試地點。 

      2.5.5測試紋波噪聲以不超過原規格值 +1%Vo。

      三.漏電流(洩漏電流)

     ?。↙eakage Current)mA

      3.1定義:

      輸入一機殼間流通之電流(機殼必須為接大地時)。

      3.2測試條件:

      I/P:Vin max.×1.06(TUV)/60Hz

      Vin max.(UL1012)/60Hz

      O/P: No Load/Full Load

      Ta: 25 ℃

      3.3測試回路:

      3.4說明:

      3.4.1 L,N均需測。

      3.4.2UL1012 R值為1K5。

      TUV R值為2K/0。15uF。

      3.4.3漏電流規格TUV:3。5mA,UL1012:5mA。

      四.溫度測試 

     ?。═emperature Test)

      4.1定義:

      溫度測試指PSU于正常工作下,其零件或Case溫度不得超出其材質規 

      格或規格定值。

      4.2測試條件:

      I/P: Nominal

      O/P: Full Load

      Ta : 25℃

      4.3測試方法:

      4.3.1將Thermo Coupler(TYPE K)穩固的固定于量測的物體上

     ?。ㄋ俑?、Tape或焊接方式)。

      4.3.2 Thermo Coupler于末端絞三圈后焊成一球狀測試。

      4.3.3我們一般用點溫計測量。

      4.4測試零件:

      熱源及易受熱源影響部分

      例如:輸入端子、Fuse、輸入電容、輸入電感、濾波電容、橋整、熱 

      敏、突波吸收器、輸出電容、輸出電容、輸出電感、變壓器、鐵芯、 

      繞線、散熱片、大功率半導體、Case、熱源零件下之P.C.B.……。

      4.5零件溫度限制:

      4.5.1零件上有標示溫度者,以標示之溫度為基準。

      4.5.2其他未標示溫度之零件,溫度不超過P.C.B.之耐溫。

      4.5.3電感顯示個別申請安規者,溫升限制65℃Max(UL1012),75℃ 

      Max(TUV)。

      五.輸入電壓調節率

     ?。↙ine Regulation), %

      5.1定義:

      輸入電壓在額定范圍內變化時,輸出電壓之變化率。

      Vmax-Vnor

      Line Regulation(+)=------------------

      Vnor

      Vnor-Vmin

      Line Regulation(-)=------------------

      Vnor

      Vmax-Vmin

      Line Regulation=----------------

      Vnor

      Vnor:輸入電壓為常態值,輸出為滿載時之輸出電壓。

      Vmax:輸入電壓變化時之最高輸出電壓。

      Vmin:輸入電壓變化時之最低輸出電壓。

      5.2測試條件:

      I/P:Min./Nominal/Max

      O/P:Full Load

      Ta:25℃

      5.3測試回路:

      5.4說明:

      Line Regulation 亦可直接Vmax-Vnor與Vmin-Vnor之±最大 

      值以mV表示,再配合Tolerance%表示。

      六.負載調節率 

     ?。↙oad Regulation)%

      5.1定義:

      輸出電流于額定范圍內變化(靜態)時,輸出電壓之變化率。

      |Vminl-Vcent|

      Line Regulation(+)=------------------×100%

      Vcent

      |Vcent-VfL|

      Line Regulation(-)=------------------×100%

      Vcent

      |VminL-VfL|

      Line Regulation(%)=----------------×100%

      Vcent

      VmilL:最小負載時之輸出電壓

      VfL:滿載時之輸出電壓

      Vcent:半載時之輸出電壓

      6.2測試條件:

      I/P:Nominal

      O/P:Min./Half/Full Load

      Ta:25℃

      6.3測試回路:

      6.4Load Regulation亦可直接Vmin.L-Vcent與Vcent-Vmax.之±最大 

      值以mV表示,再配合Tolerance%表示。

      開關電源

      隨著電力電子技術的告訴發展,電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切,而電子設備都離不開可靠的電源,進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化,率先完成計算機的電源換代,進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域,程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源,更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關晶體管開通和關斷的時間比率,維持穩定輸出電壓的一種電源,開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比,二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長,但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上,反而高于開關電源,這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新,使得開關電源技術在不斷地創新,這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動,這為開關電源提供了廣泛的發展空間。

      開關電源高頻化是其發展的方向,高頻化使開關電源小型化,并使開關電源進入更廣泛的應用領域,特別是在高新技術領域的應用,推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

      2 開關電源的分類

      人們的開關電源技術領域是邊開發相關電力電子器件,邊開發開關變頻技術,兩者相互促進推動著開關電源每年以超過兩位數字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現已實現模塊化,且設計技術及生產工藝在國內外均已成熟和標準化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。以下分別對兩類開關電源的結構和特性作以闡述。

      2.1 DC/DC變換

      DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調制方式,ton不變,改變Ts(易產生干擾)。其具體的電路由以下幾類:

     ?。?) Buck電路――降壓斬波器,其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui,極性相同。

     ?。?) Boost電路――升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui,極性相同。

     ?。?) Buck-Boost電路――降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。

     ?。?) Cuk電路――降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性相反,電容傳輸。

      當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍,美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應的功率密度為(6、2、10、17)W/cm3,效率為(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列,其開關頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27 W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二極管),是整個電路效率提高到90%。

      2.2 AC/DC變換

      AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

      AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數可分為,單項、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

      3 開關電源的選用

      開關電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路結構的特點(多級串聯),一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過,在輸出電壓穩定度這一技術指標上與線性電源相比具有較大的優勢,其輸出電壓穩定度可達(0.5~1)%。開關電源模塊作為一種電力電子集成器件,在選用中應注意以下幾點:

      3.1輸出電流的選擇

      因開關電源工作效率高,一般可達到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流,以使被選用的開關電源具有高的性能價格比,通常輸出計算公式為:

      Is=KIf

      式中:Is―開關電源的額定輸出電流;

      If―用電設備的最大吸收電流;

      K―裕量系數,一般取1.5~1.8;

      3.2接地

      開關電源比線性電源會產生更多的干擾,對共模干擾敏感的用電設備,應采取接地和屏蔽措施,按ICE1000.EN61000.FCC等EMC限制,形狀開關電源均采取EMC電磁兼容措施,因此開關電源一般應帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術的HA系列開關電源,將其FG端子接大地或接用戶機殼,方能滿足上述電磁兼容的要求。

      3.3保護電路

      開關電源在設計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能,故在設計時應首選保護功能齊備的開關電源模塊,并且其保護電路的技術參數應與用電設備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設備或開關電源。

      4 開關電源技術的發展動向

      開關電源的發展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化,因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發新型高智能化的元器件,特別是改善二次整流器件的損耗,并在功率鐵氧體(Mn-Zn)材料上加大科技創新,以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能,而電容器的小型化也是一項關鍵技術。SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展,在電路板兩面布置元器件,以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統的PWM開關技術進行創新,實現ZVS、ZCS的軟開關技術已成為開關電源的主流技術,并大幅提高了開關電源工作效率。對于高可靠性指標,美國的開關電源生產商通過降低運行電流,降低結溫等措施以減少器件的應力,使得產品的的可靠性大大提高。

      模塊化是開關電源發展的總體趨勢,可以采用模塊化電源組成分布式電源系統,可以設計成N+1冗余電源系統,并實現并聯方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點,若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大,而采用部分諧振轉換電路技術,在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲,但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題,故仍需在這一領域開展大量的工作,以使得該項技術得以實用化。

    提高開關電源待機效率的方法

      (一)切斷啟動電阻

      對于反激式電源,啟動后控制芯片由輔助繞組供電,啟動電阻上壓降為300V左右。設啟動電阻取值為47kΩ,消耗功率將近2W。要改善待機效率,必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH,ICE2DS02G內部設有專門的啟動電路,可在啟動后關閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路,也可在啟動電阻串接電容,其啟動后的損耗可逐漸下降至零。缺點是電源不能自重啟,只有斷開輸入電壓,使電容放電后才能再次啟動電路。

      (二)降低時鐘頻率

      時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當反饋量超過某一閾值,通過特定模塊,實現時鐘頻率的線性下降。

      (三)切換工作模式

      1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開關電源,在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如,對于準諧振式開關電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz),可在待機時切換至低頻的脈寬調制控制模式PWM(幾十kHz)。

      IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機效率的。當電源處于輕載和待機時候,輔助繞組電壓較小,Q1關斷,諧振信號不能傳輸至FB端,FB電壓小于芯片內部的一個門限電壓,不能觸發準諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調制控制模式。

      2.PWM→PFM

      對于額定功率時工作在PWM模式的開關電源,也可以通過切換至PFM模式提高待機效率,即固定開通時間,調節關斷時間,負載越低,關斷時間越長,工作頻率也越低。將待機信號加在其PW/引腳上,在額定負載條件下,該引腳為高電平,電路工作在PWM模式,當負載低于某個閾值時,該引腳被拉為低電平,電路工作在PFM模式。實現PWM和PFM的切換,也就提高了輕載和待機狀態時的電源效率。

      通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現降低待機工作頻率,提高待機效率,可保持控制器一直在運作,在整個負載范圍中,輸出都能被妥善的調節。即使負載從零激增至滿負載的情況下,能夠快速反應,反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內。

      (四)可控脈沖模式(BurstMode)

      可控脈沖模式,也可稱為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當處于輕載或待機條件時,由周期比PWM控制器時鐘周期大的信號控制電路某一環節,使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效,這樣即可實現恒定頻率下通過減小開關次數,增大占空比來提高輕載和待機的效率。該信號可以加在反饋通道,PWM信號輸出通道,PWM芯片的使能引腳(如LM2618,L6565)或者是芯片內部模塊(如NCP1200,FSD200,L6565和TinySwitch系列芯片)。

      開關電源用途

      開關電源[1]產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱等領域。





       
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