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    開關電源廠家,基立電源ENGLISH
    開關電源的原理和發展趨勢
    2018-11-5      瀏覽次數:1994

    高頻開關電源電路原理

    高頻開關電源由以下幾個部分組成:
    一、主電路
        從交流電網輸入、直流輸出的全過程,包括:
        1、輸入濾波器:其作用是將電網存在的雜波過濾,同時也阻礙本機產生的雜波反饋到公共電網。
        2、整流與濾波:將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電,以供下一級變換。
        3、逆變:將整流后的直流電變為高頻交流電,這是高頻開關電源的核心部分,頻率越高,體積、重量與輸出功率之比越小。
        4、輸出整流與濾波:根據負載需要,提供穩定可靠的直流電源。
    二、控制電路
         一方面從輸出端取樣,經與設定標準進行比較,然后去控制逆變器,改變其頻率或脈寬,達到輸出穩定,另一方面,根據測試電路提供的數據,經保護電路鑒別,提供控制電路對整機進行各種保護措施。
    三、檢測電路
         除了提供保護電路中正在運行中各種參數外,還提供各種顯示儀表數據。
    四、輔助電源
         提供所有單一電路的不同要求電源。
    第二節   開關控制穩壓原理


         開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開,在開關K接通時,輸入電源E通過開關K和濾波電路提供給負載RL,在整個開關接通期間,電源E向負載提供能量;當開關K斷開時,輸入電源E便中斷了能量的提供??梢?,輸入電源向負載提供能量是斷續的,為使負載能得到連續的能量提供,開關穩壓電源必須要有一套儲能裝置,在開關接通時將一部份能量儲存起來,在開關斷開時,向負載釋放。圖中,由電感L、電容C和二極管D組成的電路,就具有這種功能。電感L用以儲存能量,在開關斷開時,儲存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負載,使負載得到連續而穩定的能量,因二極管D使負載電流連續不斷,所以稱為續流二極管。在AB間的電壓平均值EAB可用下式表示:
                      EAB=TON/T*E
    式中TON為開關每次接通的時間,T為開關通斷的工作周期(即開關接通時間TON和關斷時間TOFF之和)。
         由式可知,改變開關接通時間和工作周期的比例,AB間電壓的平均值也隨之改變,因此,隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比,這種方法稱為“時間比率控制”(Time Ratio Control,縮寫為TRC)。
         按TRC控制原理,有三種方式:
         一、脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,縮寫為PWM)
    開關周期恒定,通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。
         二、脈沖頻率調制(Pulse Frequency Modulation,縮寫為PFM)
    導通脈沖寬度恒定,通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式。
         三、混合調制
    導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定,彼此都能改變的方式,它是以上二種方式的混合。
    第三節   開關電源的發展和趨勢
         9年美國羅耶(GH.Roger)發明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器,是實現高頻轉換控制電路的開端,9年美國查賽(Jen Sen)發明了自激式推挽雙變壓器,1964年美國科學家們提出取消工頻變壓器的串聯開關電源的設想,這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高,二極管反向恢復時間的縮短等元器件改善,終于做成了25千赫的開關電源。
      目前,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。目前市場上出售的開關電源中采用雙極性晶體管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz電源,雖已實用化,但其頻率有待進一步提高。要提高開關頻率,就要減少開關損耗,而要減少開關損耗,就需要有高速開關元器件。然而,開關速度提高后,會受電路中分布電感和電容或二極管中存儲電荷的影響而產生浪涌或噪聲。這樣,不僅會影響周圍電子設備,還會大大降低電源本身的可靠性。其中,為防止隨開關啟-閉所發生的電壓浪涌,可采用R-C或L-C緩沖器,而對由二極管存儲電荷所致的電流浪涌可采用非晶態等磁芯制成的磁緩沖器。不過,對MHz以上的高頻,要采用諧振電路,以使開關上的電壓或通過開關的電流呈正弦波,這樣既可減少開關損耗,同時也可控制浪涌的發生。這種開關方式稱為諧振式開關。目前對這種開關電源的研究很活躍,因為采用這種方式不需要大幅度提高開關速度就可以在理論上把開關損耗降到零,而且噪聲也小,可望成為開關電源高頻化的一種主要方式。當前,世界上許多國家都在致力于數兆Hz的變換器的實用化研究。

    目前,開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。而高頻化則是開關電源實現輕、小、薄的技術關鍵,隨著開關電源應用的領域越來越廣,特別是在計算機和通信設備上,高頻開關電源的應用引起了行業人士的廣泛關注。

      隨著電力電子技術的高速發展,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0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。與傳統線性電源相比,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。高頻化是開關電源的發展方向,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。

      開關電源發展趨勢

      隨著電子產品輕、薄、小的發展趨勢,要求電子元件體積更小,耗能更低。開關電源作為電子設備中不可或缺的組成部分也在不斷的改進。高效率、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化,成了開關電源的發展方向。

      高效率。為了使開關電源輕、小、薄,高頻化(開關頻率達兆赫級)是必然發展趨勢。而高頻化又必然使傳統的PWM開關(屬硬開關)功耗加大,效率降低,噪聲也提高了,達不到高頻、高效的預期效益,因此實現零電壓導通、本電流關斷的軟開關技術將成為開關電源產品未來的主流。采用軟開關技術可使效率達到~%。

      高可靠。開關電源比連續工作電源使用的元器件多數十倍,因此降低了可靠性。從壽命角度出發,電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長要從設計方面著眼,而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低給溫、減少器件的電應力、降低運行電流等措施使其DC/DC開關電源系列產品的可靠性大大提高,產品的MTBF高達00萬小時以上。

      模塊化。無論是AC/DC或是DC/DC或是變換器都是朝模塊化方向發展。其特點是:可以用模塊電源組成分布式電源系統;可以設計成N+冗余電源系統,從而提高可行性;可以做成插入式,實現熱更換,從而在運行中出現故障時能高速更換模塊插件;多臺模并聯可實現大功率電源系統。此外,還可以在電源系統建成后,根據發展需要不斷擴充容量。

      低噪聲。開關電源的又一缺點是噪聲大,單純追求高頻化,噪聲也隨之增大,采用部分諧振轉換回路技術,在原理上既可以高頻化,又可以低噪聲。但諧振轉換技術也有其難點,如很難準確地控制開關頻率、諧振時增大了器件負荷、場效應管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應力轉向開關管等問題難以解決。


      抗電磁干擾(EMI)。當開關電源在高頻下開關時,其噪聲通過電源線產生對其它電子設備的干擾,世界各國已有抗EMI的規范或標準,如美國的FCC、德國的VDE等,研究開發抗EMI的開關電源日益顯行生要。


      高頻化,開關電源發展的方向

      開關電源成為現代電子設備中不可缺少的部分,要實現高效率、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化的發展,高頻化是關鍵技術。要實現開關電源的高頻化涉及到開關的損耗和電子兼容性以及材料性能等各方面的技術要求,目前在這些方面生產和應用控制并不是十分成熟。


      因此對于開關電源的高頻化發展,業內存在不同的聲音。有的認為開關電源高頻化是發展的方向,也有的認為這一說法還需要商榷,更多的則認為開關電源高頻化的程度應該根據電源種類而定。本刊記者就此采訪了業內相關人士,收集了行業內不同的說法。

      、肯定 :開關電源高頻化不會受阻

      康舒電子(東莞)有限公司研發部羅斌認為,高頻開關電源盡管目前還存在一些缺陷,但這不能阻礙開關電源高頻化發展。


      高頻化是高頻開關電源的發展方向并不會因為高頻開關電源的“損耗大、材料性能要求高”等相關問題而受到阻礙。相反,這些相關的配套產業應該加快發展,適應開關電源高頻化的要求。特別是模塊電源的發展要求電路的集成化程度越來越高,電子產品輕、薄、小的發展趨勢要求電子元件在體積上必須壓縮、小型化。開關電源高頻化就是順應這一發展趨勢技術要求,特別是在PC電源、筆記本電腦、通信產品、手機等電子產品開關電源是必不可少的。

      、慎重 :開關電源高頻化應根據實際而定

      山東山大華天科技股份有限公司技術部李建明在接受記者采訪時說,開關電源高頻化不是目的,只是過程。

      開關電源高頻化要求增大相應的電容量,由于高頻率轉換給元件帶來的損耗大,所以要求相關配套的器件生產設計要跟上,例如漆料、隔離技術等。開關電源實現高頻化實現了開關電路的零電壓,提高了電子產品的使用性能,但高頻化只是開關電源技術發展的要求和過程,而不是目的,相關的技術還存在一定的缺陷,不能盲目的追求高頻化。

      目前高頻開關電源主要有這樣一些缺陷:隔離困難,反應慢,損耗大,抗沖擊性差等。另外在我國對于高頻開關電源的科研工作大多限于高校,產、學、研脫節比較明顯。


      高頻電源的開發應用從上個世紀0年代就已開始,目前我國的生產廠家很多,并且有一定的規模。主要集中在珠三角地區。但進行技術研發的單位主要在南航、清華大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學等部分高校,而國內廠家投入技術研究的基本沒有。行業呼吁的“產、學、研一體化”在這一塊脫了節。

      另外高頻開關電源的應用還受到成本的制約。

      高頻開關電源主目前主要應用在大功率電器電路中,大部分功率小的或者小型電子產品,還是用硬開關,一方面考慮技術因素,小功率電器沒有必要使用高頻開關電源,另外在成本上差距也很大??梢蕴峁┫嗟榷坞娫吹拈_關產品,硬開關價格在—元/個,而應用高頻開關電源的軟開關價格要0元/個左右。

      武漢普天通信設備集團有限公司技術中心主任鄭曉敏則認為,不能為了高頻化而高頻化。


      開關電源高頻化是技術手段而不是目的,開關電源高頻化的程度應該根據客戶的需求來定?!案哳l化是開關電源的發展方向”和,這個說法還需要商榷,因為頻率拔高后電子兼容性能否達到要求,還涉及到材料科學方面,在國內能做到的只有幾百K,還沒有超過00K的。

      另外,開關電源高頻化采用也應該根據電源種類是否需要來定的,比如在工業控制設備中,對電子元件的體積沒有要求,電路設計也不一定要用到開關電源,就沒有必要增加開關電源。

      盡管對開關電源的高頻化發展存在不同的觀點,但開關電源高頻化已是不爭的事實和趨勢,在目前國內技術尚未達到成熟的水平,發展的過程也會有各種困難。困難一方面是國內企業在技術研發不成熟,另外近年國外企業紛紛到我國沿海地區投資建廠,給我國企業帶來了更大的壓力。壓力和困難是客觀所在,但我們也應該看到在競爭中國內企業同樣也有自身的優勢。

      羅斌 :國內企業問題大于優勢

      國內企業最大的優勢在于價格。但與國外企業相比主要有兩方面的不足,一是設計品質,即產品的可靠性和穩定性與國際水平還有一定差距。這并不是國內設計人員的技術不行,而是思想考慮不周全,同樣的設計思路,中國人外國人都可以做到,但最后出來的產品優良率卻不一樣,有到過國外參觀的行業人士大多會感觸國外工程師設計和制作的細致精良。

      另一方面是業務接待能力,即客源關系的維護。在珠三角地區很多臺資企業,歐美企業跟這些臺資企業關系都比較密切,一方面是由于產品質量,另外一方面是由于臺資企業對歐美企業的需求信息掌握比較全面及時,而且提供樣品時間較迅速。

      李建明:開關電源的生產自動化程度還很差

      開關電源行業的競爭非常激烈。開關電源的應用量不斷擴大,國內外生產廠家眾多,利潤空間穩定,近段時間的原材料價格上漲對開關電源行業造成的影響不大,特邊是高頻開關電源的金屬用料很少。

      生產自動化程度差。開關電源制造屬于人工勞動密集型的產業,大部分生產流程都是人工操作,相對于信息產業中的其他行業生產自動化程度還比較低。

      與國外企業相比輸在工藝。國內開關電源企業在規模和產值方面與國外企業相比水平相當。也掌握了一些獨立的技術工藝,但主要是在小型器件產品上。但在大型器件芯片技術上還依靠國外技術,在珠三角地區盡管有大批的臺資和日資企業建立了生產線,但主要芯片技術還是外資控制。在未來的競爭中,獨立工藝技術是國內企業掌握和擴展市場的關鍵。

      在采訪中業內人士一直認為價格因素對開關電源的,特別是高頻開關電源生產企業的發展起著至關重要的作用。

      雷興華(艾默生網絡能源有限公司預研部):價格是開關電源行業一個很重要的因素。


      價格是國內企業競爭的關鍵。有行業人士認為,在中國開關電源行業,價格將最終決定企業的生存狀態。目前國內企業在產品品質和技術上還不能和國外企業想媲美,但由于中國廉價的勞動力和原材料,中國的產品價格上占有十分大的優勢。


      同時,價格與品質又是一對矛盾體。開關電源行業的市場前景十分廣闊,同時競爭也非常激烈,價格戰幾乎成了企業生存的法寶。價格不斷降低的背后必然有產品質量下降的副效應。一個很簡單的例子,0年前,買一臺進口的彩電,可以用上、年,甚至上0 年都不會有太大的問題,但是現在的彩電,盡管是功能多了,外觀漂亮了,但是用到一年兩年,各種大小毛病就出來了。企業以價格戰為發展策略必須考慮到成本問題,在相同的技術下,降低成本,在材料的選擇和技術加工上就會有所節約。在大量消費電子產品投訴案例中,很大一部分產品質量不合格就是由于廠家偷工減料造成的。因此企業在價格生存戰中,最終決定企業生死存亡的還是產品質量。

      國內一些整機企業,例如七喜電腦股份有限公司、上海貝特電子有限公司等,產品應用開關電源都比較多,部分自己生產同時也在市場采購。他們選擇的標準主要是從產品的性能需要上考慮選擇什么樣的開關電源,采購人員表示,在質量測試符合標準后,基本上會選擇國內的產品,因為同等質量的產品國外的價格要高出很多。

      國內企業在如何保持價格優勢的同時,提高產品的競爭力?雷興華認為應該加強與國外合作,提升服務理念。 9

      國內企業與外資企業相比,普遍存在服務意識不強,不注重客源關系維系的現象。甚至有些小企業過于追求經濟效益,而忽略了企業的相關服務,例如產品質量保證和售后服務、企業應該承擔的社會責任等。這樣的結果最終必然是企業客戶投訴越來越多,最后被市場淘汰。這其中的有多方面的原因,有歷史發展的積留,有環境的影響。由于長期計劃經濟的影響,行業缺乏競爭,形成了國內企業中市場意識和服務意識普遍比較淡泊的“中國特色”。另外從業人員職員素質也是一方面。解決這個問題一個有效的辦法就是加強國外一些資訊或者培訓機構的合作,公司應該定期組織員工進行業務和服務方面的培訓,提高服務水平。

      競爭激烈,前景廣闊


      電盛蘭達(Densei-Lambda)日前在北京宣布推出第五代開關電源產品,以滿足業界對環保(符合歐盟RoHS指令)、小型化、高效化開關電源產品的需求。會上,Densei-Lambda推出了個系列電源新產品、新機型。包括兩款第五代新產品——AC/DC標準開關電源HWS系列和CC-E系列DC/DC轉換器;業界首次以U尺寸實現,00W功率的小型大容量CVCC可變電源Genesys系列;以及強調性價比的AC/DC封裝型電源SWS系列。


      開關電源產業除了不斷有新產品推出外,產業也正在發生整合,并購頻繁發生,Densei-Lambda也涉及其中。00年,C&D Technologies先后收購了Celab、Datel和Celestica電源系統三家公司。00年,TDK宣布以.億美元收購英國Invensys plc旗下的Lambda電源公司,包括Lambda USA、Lambda Europe、Densei-Lambda KK以及其他幾個實體。隨后,Densei-Lambda又宣布將Lambda USA和Lambda Europe整合至旗下,Densei-Lambda成為TDK的子公司。不久前,TDK和Densei-Lambda宣布,00年月日以后,電源產品啟用統一品牌TDK-Lambda,涵蓋AC/DC開關電源、DC/DC轉換器、DC/AC逆變器和電源模塊等產品,雙方將共同進行推廣和銷售。

      開關電源行業競爭激烈可見一斑,同時我們也應看到市場的前景同樣令人樂觀。

      這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內就有0多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現,為了極大發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。

      總之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、高效率、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。




       
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