开关电源范文
时间:2023-04-07 19:22:14
导语:如何才能写好一篇开关电源,这就需要搜集整理更多的资料和文献,欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文,供你借鉴。
篇1
[关键词]节能;单片机;开关电源
中图分类号:TG303 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)02-0000-01
前言:开关电源就是电源电路中的功率变换器件工作在开关状态,它是在线性稳压电源的基础上产生的。它是一个把交流电变换成电,把直流电又转化为交流电,再把交流电转换为直流电的电源转换电路。它是通过电路中控制元件的导通时间来调整电压大小。开关电源属于电力电子技术,他运用功率变换器进行电能变换,经过变换电能,他可以满足各种用电要求。开关电源是美国 NASA 用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的。与线性电源相比开关电源具有体积小、重量轻、效率高的特点,被广泛用于电视机、计算机、自动控制装置、产业机械、通信装置等各个领域。特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展,开关电源的需求量不断扩大。随着现代技术的发展,尤其是和单片机的结合,使得开关电源开关电源迎来了又一个生命――数控开关电源。
1 数控开关电源的基本理论
一般开关电源是随电网电压变化或负载变化而变化的,当电网电压变化或负载变化引起输出电压降低时,反馈线圈的输出电压则会变低,从而使2端电压变低,则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比,使大功率晶体管导通的时间变长;反之,当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时,则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比,使大功率晶体管导通的时间变短,从而维持输出电压为一恒定值。
本文提出了一种采用单片机作为整机反馈量的控制单元,可以通过我们的实际需要输入相应数字量来改变反馈电压值,通过反馈电电压使脉宽调制器占空比发生变化,间接地改变输出电压大小的新方法。称之为数控开关电源。这种电源不但能够设定系统输出电压值的大小,还能当电网电压在一定范围内变化或负载变化引的电路电压的变化时保持恒定输出。同时还能通过驱动数码管芯片从而驱动4位的共阳数码管进行显示,使系统硬件更加简洁,输出精度更高。
1.1 桥式整流电路
桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路,由四个二极管两两顺序连接组成,输出电压V0是单相脉动电压,通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为
1.2 脉宽调制电路
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置,来实现晶体管或MOS管导通时间的改变,从而实现开关稳压电源输出的改变。本文采用能承受较大电流,漏电流较小的功率开关管,当功率开关管受PWM脉冲激励而导通时,整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中,在场效应管导通结束时,Np绕组中电流达到最大值Ipmax,根据法拉第电磁感应定律:
Ipmax=(Ε/Lp)Ton
式中:E――整流电压;Lp――变压器初级绕组电感;Ton――场效应管导通时间。
在场效应管关闭瞬间,变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax,若忽略各种损耗应为
Ismax=nLpmax=n(Ε/Lp)Ton
式中:n――变压器变比,n=Np/Ns,Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。
高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等:
N(E/Ls)Ton=(Uo/Ls)Toff
式中:Ls――变压器次级绕组电感;Uo――输出电压;Toff――场效应管关闭时间。
因为LP=n2L, 则:(E/nLS)Ton=(Uo/LS)Toff,ETon=nUoToff
Uo=(Ton/nToff)E
1.3 启动电路
电源是通过启动电阻提供电流给电容充电,当电容电压达到启动电压门槛值时,脉宽调制芯片开始工作并提供驱动脉冲,推动开关管工作。
1.4 反馈回路
反馈回路有单片机主导构成,起着稳定电压输出、调节电压输出和显示电路电压的作用。
2 单片机及电路的设计
2.1 复位电路
本文采用的是一个低功耗,高性能CMOS 8位的AT89S52单片机,为了使单片机内特殊功能寄存器初始化,所以需要一个复位电路来实现,复位后可使AT89S52单片机到初始状态,并从初始状态开始正常工作。在正常运行情况下,只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平,即可引起系统复位,
2.2 时钟电路
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器,XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。从外部时钟源驱动器件的话,XTAL2 可以不接,而从 XTAL1 接入,由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的,所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求,最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路,它们起稳定振荡频率、快速起振的作用,其值均为30P左右,晶振频率选12MHz。
2.3 D/A转换器
如图1-2在控制电路中需要一可变的基准电源来改变稳压调节器输入端电压的大小,而单片机输出的控制信号为数字信号,所以变化的基准电压需借助数模转换器产生。
3 软件的设计
3.1 主要完成三方面的功能
1).设置电压并且保存,主要是对EEROM的操作。
2).把设置的电压送到DA,主要是对DA的操作。
3).中断显示,把设置的电压显示到LED数码管上。
3.2 程序设计思想
当电源打开的时候,MCU进行复位,寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小,这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号,根据电压编号读出对应电压,把该数据送到DA,在转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号,如果调节键按下,电压编号指向下一个,保存该电压编号,读对应电压,把他送到DA并且显示。如果调节键+按下,当前电压数据加1,相对应输出电压(POWER―OUT引脚)增加0.1V,保存设置电压数据。如果调节键-按下,电压数据减1,输出电压减少0.1V,保存设置电压数据。
4 结束语
结合单片机开发的开关电源是电源技术发展的创新技术,其功率小,整机的稳定、可靠,而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V( 10%),而开关型稳压电源在电网电压在110~260V范围内变化时,都可获得稳定可调的输出电压,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。并使开关电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。
参考文献
[1] 《开关稳压电源原理与实用技术》慕苤勋等编著,科学出版社,2005.6.
篇2
[关键词]软开关技术 谐振原理 电源
中图分类号:TP271 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)21-0384-01
引言
近年来,电力电子技术发展迅猛,直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。如今,笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性,减小体积和重量,必须实现开关电源的高频化。开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积,增大了变换器的功率密度和性能价格比,而且极大地提高了瞬时响应速度,抑制了电源所产生的开关噪声,从而已成为新的发展趋势。
1.软开关发展应时而生
以前的开关电源大多数采用脉宽调制技术(PWM),称为“硬开关”(HARDSWITCH)电源。硬开关和软开关是针对开关管(MOSFET)来讲的,硬开关是不管开关管(DS极或CE极)上的电压或电流,强行开或关开关管,当开关管上(DS极或CE极)电压及电流较大时开关管动作,由于开关管状态间的切换(由开到关,或由关到开)需要一定的时间,这会造成在开关管状态间切换的某一段时间内电压和电流会有一个交越区域,这个交越造成的开关管损耗称为开关管的切换损耗。软开关是指通过检测开关管电流或其他技术,做到当开关管两端电压或流过开关管电流为零时才导通或关断开关管,这样开关管就不会存在切换损耗。一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损);工作频率较高,PFC或变压器体积可以减少,所以体积可以做的更小。但成本也相对较高,设计较复杂。
我们都有这样的经验,合上电闸时会产生火花,断开电路时也会产生火花,通常断开电路所需时间比接通时要长,产生的火花要大。原因是电路中有寄生电感和电容。寄生电感流过电流时便会存储磁场能量,断开电路时电感阻碍电流的变化,产生很高的感应电压,通过电火花,电弧把磁场能量释放掉。这部分能量是白白消耗掉的。而且会使闸刀发热,烧蚀,因此频繁开关会导致闸刀损坏。理想的软关断过程是电流先降小到零,电压在缓慢上升到断态值,所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已经下降到零,便解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零,电流在缓慢上升到通态值,所以开通损耗近似为零,器件结电容的电压也为零,解决了容性开通问题。其中通断一次的能量损耗乘以开关工作频率即为开关损耗,为了减小体积和重量,频率越高越好。但是频率升高开关损耗随之变大,电磁干扰变大。软开关技术在这种要求下应运而生,使开关电源能够在高频下高效率地运行。软开关技术是应用谐振原理,使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化,当开关管电流自然过零时,使开关管关断;开关管电压自然过零时,使开关管导通,从而使开关管关断和导通损耗为零,实现了开关电源高频化的设计,提高了电源效率,温升亦低,工作可靠。
2.软开关技术的原理
软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一,它应用谐振的原理,使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时,使器件关断(或电压为零时,使器件开通),从而减少开关损耗。谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器、零电压开关脉冲调宽变换器、零电流开关脉冲调宽变换器、零电压转换脉冲调宽变换器、零电流转换脉冲调宽变换器、移相控制零电压转换全桥直流/直流变换器、移相控制零电流转换全桥直流/直流变换器及零转换PWM变换器均可实现软开关电源。
2.1 谐振变换器按照谐振元件的谐振方式,可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类;按负载与谐振电路的连接关系,又可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振,使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形,开关元件在电流或电压的过零处开通或关断,实现软开关过程。
2.2 准谐振变换器和多谐振变换器
准谐振变换器和多谐振变换器的特点是谐振元器件参与能量变换的某一阶段,不是全程参与。这类变换器需要采取频率调制控制方法。在基本PWM开关上增加一些谐振元件,它是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合,谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM开关串联,利用电感中谐振电流过零点时,使开关零电流关断;零电压谐振开关是将谐振电容与PWM开关并联,利用电容两端谐振电压过零点时,使开关零电压开通。它们各有L型和M型两种电路方式,而且根据功率开关管是单向导通还是双向导通,又可分为半波模式和全波模式。
2.3 零开关PWM变换器
零开关PWM变换器包括零电压PWM变换器和零电流PWM变换器,。它们特点是变换器工作在脉冲调宽的方式下,电路简单,工作稳定。辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作,实现开关管的软开关,其它时间停止工作。它们是在准谐振软开关的基础上,加入一个辅助开关管,来控制谐振元件的谐振过程,实现PWM控制。它只利用谐振实现换相,换相完毕后仍采用PWM工作方式,从而既能克服硬开关PWM在开关过程中的三大缺陷,又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。
2.4 移相控制零电压转换全桥式直流/直流变换器和移相控制零电流转换全桥式直流/直流变换器及两者混合式的变换器是大中小功率软开关电源的主要形式。这类变换器通过改变全桥对角线上下开关管驱动电压移相角的大小来调节输出电压,让超前臂开关管的控制极上的电压领先于滞后臂开关管控制极上的电压一个相位,并在控制器的控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间,巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容及变压器初次级之间寄生电容来完成谐振过程,实现零电压或零电流开通或关断。
2.5 零转换PWM变换器零转换PWM变换器包括ZVT-PWM变换器和ZCT-PWM变换器,其谐振网络是与主开关并联的。在开关转换期间,并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后,电路又恢复到正常的PWM工作方式。因此,零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点,又综合了它们的优点。为此,该类变换器在中大功率场合得到广泛应用,并具有如下优点:①采用PWM控制方式,实现恒定频率控制。②辅助电路只是在开关管开关时工作,其他时候不工作,而且是与主功率回路相并联,不需要处理很大的环流能量,从而减小了辅助电路的损耗。③辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。
3 结束语
人们在谐振技术和无损耗缓冲电路的基础上提出了组合软开关功率变换器的理论。即电路中既可以存在零电压开通,也可以存在零电流关断,同时既可以包含零电流开通,也可以包含零电压关断,是这四种状态的任意组合。由此可见,由无损耗缓冲技术和谐振技术组合而成的新型软开关技术将成为新的发展趋势。
参考文献
[1] 罗松筠.广播发射新技术.成都:电子科技大学出版社,1990.
篇3
开关电源是一种高效节能的优质电源。然而在电子设备工作过程中,开关电源会产生比较严重的电磁干扰。本文根据高中物理所学知识,在与老师的沟通和指导下,研究开关电源电磁干扰的产生原因,并从屏蔽、滤波、接地以及电路等方面简要分析了干扰抑制措施。
【关键词】高中物理 开关电源 电磁干扰 抑制
开关电源的应用十分广泛,其小型化和高频化虽然为电子设备的发展带来了很多便利,但所产生的电磁干扰也愈发严重,对功能发挥的影响越来越大。因此,必须采取有效的电磁干扰抑制措施,削弱甚至消除电磁干扰,保证电子设备能够正常运行。
1 开关电源电磁干扰的产生原因
根据高中物理的知识学习,我们知道在电子设备的工作过程中通电电流的传导会出现一些无用信号或电磁噪声等,会对电路器件设备、传输通道以及系统的性能造成干扰,这种干扰就是电磁干扰。电磁干扰的出现有很多可能的原因,电磁干扰的的干扰源一般都是电压电流变化比较大的元器件,包括开关管、二极管及变压器等。
通过总结经验,并学习资料,开关电源电磁干扰产生的主要因素包括下面一些内容:
1.1 开关管产生电磁干扰
开关电源中原边主电路的开关管大多采用MOSFET功率管,这种开关管具有小电荷存储效应,开关速度快,在开通、断开时,电磁干扰易于产生。对于这种电磁干扰,通常的做法是通过吸收电路进行削弱,但加装吸收电路会对电源效率造成一定影响。
1.2 高频变压器产生电磁干扰
在开关电源的功率变换电路中,开关管的负载是高频电压器的初级线圈,呈感性,在开关管开通的瞬间,初级线圈中会出现很大的电流,相应的线圈会产生很高的电压;在开关管断开的瞬间,初级线圈的部分能量停留在初级线圈中,无法导入次级线圈,这部分能量会在原边电路中的电容和电阻上产生衰减震荡。如果高频变压器两端的滤波电容容量不够大,或者高频特性较差,电容上的高频阻抗就会导致高频电流以差模的方式传导到交流电源中,从而产生传导干扰。
1.3 整流电路产生电磁干扰
工频交流电需要通过整流变成单向脉动电流,转换的结果除了直流分量外,还存在着一些高频谐波分量,这些高频谐波分量会导致输入功率因数变小,同时还会附带较大的THD,这不仅会对电网产生很严重的干扰,还会通过电源线造成射频干扰。
2 开关电源的电磁干扰抑制措施
2.1 屏蔽技术
屏蔽是我们日常生活中都能接触到的物理原理,包括中央一套《加油!向未来》的节目中验证了特斯拉线圈的实验。电磁屏蔽的原理是通过加装屏蔽体来削弱甚至完全阻挡电磁能量。在开关电源的电磁屏蔽中,分为两个部分:
(1)对产生电磁干扰的元器件进行屏蔽;
(2)对容易受到电磁干扰的元器件进行屏蔽。
开关电源中,产生电磁干扰的元器件一般是变压器、电感器以及各种功率器件,对于这些元器件的电磁屏蔽,可以使用铜板或者铁板围绕起来,从而削弱其产的电磁干扰。对于容易受到电磁干扰的元器件也可以采用相同的办法进行屏蔽。另外,还可以通过整体屏蔽的方法,使用强导电性的材料把开关电源整体都围绕起来,从而防止其中产生的电磁干扰向外扩散。在应用整体屏蔽时,需要注意以下两点问题:
(1)屏蔽材料的接缝、电线以及输出端子的接口都很容易发生电磁泄漏,在应用整体屏蔽时需要着重处理;
(2)整体屏蔽需要将开关电源整体围绕在屏蔽体中,这就会导致散热出现阻碍,相应的,设备成本也会增加。
2.2 滤波技术
通过《整流和滤波》部分的学习,我们可以知道滤波技术可以应用到开关电源传导干扰的抑制中。通过学习其他资料了解到开关电源的传导干扰包括共模干扰和差模干扰两种,共模干扰出现在相线和地线以及中线和地线之间,共模干扰的电流会在相线和中线内部同时出现,大小和方向都相同。差模干扰出现在相线和中线之间,差模干扰的电流同样会在相线和中线内容同时出现,大小相同,但是方向相反。滤波技术无论是对差模干扰还是共模干扰都有很好的抑制作用,由于共模干扰和差模干扰一般会同时出现在开关电源传导干扰中,所以在加装滤波器时一般会将共模滤波和差模滤波同时考虑在内。实践发现,对于内阻较高的干扰源,滤波器输入阻抗需要设计低值,对于内阻低的干扰源,滤波器输入阻抗需要设计高值;负载电阻高时,滤波器输出阻抗需要设计低值,负载电阻低时,滤波器输出阻抗需要设计高值。
2.3 接地技术
接地技术是广泛应用的一项物理技术,同时也是漏电保护中很常用且效果很好的一种技术。开关电源中的接地属于屏蔽接地。在设计屏蔽接地时,需要注意以下几个方面。
(1)开关电源的接地包括交流接地和直流接地,必须将两者严格分离,一般采用浮地技术将开关电源的直流地和交流地分隔开,从而来屏蔽交流电源地线所产生的干扰。
(2)功率地和弱电地要分开。功率地应用于是负载电路或者功率驱动电路,电流和电压都很大,因此很容易产生干扰,必须和其他弱电地分隔开。
(3)地线直径尽量大。直径小的地线会导致接地电位随电流变化而变化,从而进而影响抗噪声性能。
2.4 电路措施
开关电源干扰抑制中的电路措施包括吸收电路、软开关技术以及器件选择。
(1)开关电源中电磁干扰的产生主要是忧郁电压和电流的短时间大幅度变化,因此,在抑制电磁干扰时,可以通过设计吸收电路,分散能量,降低电路中的电压和电流变化幅度。
(2)在原有的硬开关电路中设置电感和电容,通过其谐振特性,能够有效减少电压和电流的重叠,从而降低电磁干扰。
(3)在开关电源设计中,尽量选择不容易产生、传导以及辐射电磁干扰的元器件。
开关电源的电磁干扰一直是影响电路性能的一大问题。通过资料的学习和分析,在开关电源的电磁干扰抑制中可以结合实际情况综合使用多种电磁干扰抑制措施,这样才能发挥最大的作用,有效保证电子设备的正常工作。
参考文献
[1]左琛,胡莹,常越.开关电源中电磁干扰的产生及其抑制[J].电力电子技术,2015(01):33-34.
[2]周伟英,丘水生.开关电源电磁干扰抑制技术[J].低压电器,2015(19):52-53.
[3]梁安平,王银乐.开关电源抗电磁干扰的研究与分析[J].电源世界,2014(07):35.
篇4
【关键词】机电设备;开关电源;设计
1.机电设备中开关电源的工作原理
1.1 原理简介
在节电设备的开关电源中,开关元件主要是利用电子技术通过半导体等相关的元器件对开关的打开以及关闭进行控制,从而有效的保证电压能够稳定的输出。通过开关电源能够使得晶体管能够实现接通与关闭,晶体管导通的情况下,电压比较低,电流比较大;晶体管关闭时,电压比较高,电流比较小。半导体元件中电压与电流的成绩就是该元件的损耗量,所以说此类开关电源能够在损耗比较低的情况下能够提供多种直流电源。
在PWM工作的时候其首先是将输入电流的电压进行斩波,从而将其转换为与输入电压幅值相同的脉冲电压。对于机电设备开关电源的调节主要是通过脉冲的占空比进行控制的,通过PWM将其斩波为交流方波之后,就可以通过变压器等设备对幅值进行控制。想增加电压的组数,只需对变压器的绕组数目的增加就可以实现。通过整流滤波的作用,就能够获得我们所需要的直流电压。
在对机电设备开关电源的设计中,输入能够从母线出获取,这是对于变频器的特点进行分析得出的结论。在开关电源的设计中主要包括以下几个方面:输入电路、功率因数的校正以及转换、输出电路和频率振荡器等部分。
若想实现电能的转换主要是靠高频的电子开关实现的,根据数据分析可知若接通占空比的高地决定着负载电压的高地。
1.2 UC3842的反激式原理简介
对开关电源的分类通常有反激式变换器以及正激式变换器两种,在本文中笔者将对反激式变压器进行着重讨论。反激式变换器主要指的是变压器的初级性与次级性时不同的,而正激式变换器则与之相反。
对于反激式变换器的工作原理介绍:在打开的时候,Q1为导通的状态,在LP的两侧对其加以电压U0,此时的电流就会呈线性增加的方式进行升高,反激式变换器则进行储能作用;反激式变换器的此时的电压为N0/N2与Vm以及D的乘积,在这个时候位于L5两侧的电压上方的为负电压,下方的为正电压,但是D0由于反偏的作用就会停止。在其关闭的时候,Q1处于关闭状态,此时其中的电流为0,但是在原边中的电压的极性则呈反向,相应的副边电压也会发生调换,这时候之前所储存在变压器中的磁能就会转变为电能进行释放。
对于单端的反激式变换器来说,在其开关导通的时候能够进行电能的储存,在将开关关闭的时候能够将之前所储存的电能进行释放,所以说高频变压器不仅具有变压、隔离的作用,同时还是一种能够进行能力储存的元件。
2.关于开关电源的设计细节
2.1 所选用的器件介绍
通过UC3842能够产生PWM波形,能够对电流方式进行很好的控制。在这种电路中不但具有振荡器,而且具有能够为温度补偿提供参考等作用,若想有效的驱动MOSFET,就必须选用大电流图腾柱输出。
在UC3842中,首先要在其引脚的电路的1脚要求与定时电阻和电容之间进行连接,其作用是控制震荡频率;2脚与阻容元件之间进行连接,其主要作用就是对误差放大器的频率进行补偿;其3脚要与反馈电压的输入端之间进行连接,这样才能够实现其电压转向反响输入端的功能;与4脚进行连接的则是电流的检测输入端;;7脚的作用为基准的电压输出。
在TL431电路中的电压基准与齐纳管的运行为同种原理,利用外部电阻能够实现对其电压编程为40V,通常将其坎作为能够维持电压稳定的二极管,在其两端的输出电压主要是由它外部所连接的电阻所决定的。当TL431的输出电压提高的时候,就会使得其中的晶体管VT能够导通,其输出电压相应的就会降低。
由于在开关电源的输入端的电源大多都是从直流的母线中所取得的,在反激变换功率关断的时候就会使得电压出现顶峰,为了对电路进行保护就必须对其采取相应的措施以抑制。通过RCD能够有效的缓解存在于元器件两侧的过电压。通过RCD电路的设计,根据楞次定律的相关知识可以知道,当关断MOS的时候,能够在变压器的原边中形成一个非常高的瞬时电压,由此可见在设计选择MOS的时候要保证其能够承受的电压在实际电路输入电压的1.5倍以上。
2.2 关于电路
在机电设备的开关电源的设计主要是为了实现对于功率开关管的控制以及IC的控制,其电源的供给主要是通过直流母线,之后再设计各种电压的开关电源。在本文中笔者将对10V的开关电源的设计过程进行阐述,向大家讲解机械设备的开关电源设计中的关键。
UC3842这种芯片能够很好的实现对电流控制的功能,这种芯片主要是通过对频率的调节从而实现对输出电压的有效控制。在其工作的状态中在滤波器的作用下,能够对开关的噪音以及谐波等进行滤除。交流电压之间形成一个能够抗串膜的干扰电路,主要就是为了能够对噪声实现其抑制的作用。
电路中的交流电源能够在经其处理之后进去到整流器之中,从而获得我们所需要的电压。也就是说通过滤波电容的输入将输入电压中所存在的一些干扰因素进行去除,从而得到一个稳定的输出电压。
对于启动电路中主要包括电阻以及电容,若想保证其在启动之后能够正常工作,首先要保证其功率能够达到2W,在电容中所存储的能量要保证能够满足开关电源启动时的需求,不能够低于150uF。
由于此电源开关中有很多电路输出,不能够单纯的对其中的某一路进行反馈,所以说要在电路中设计一个反馈线圈来进行对电压的反馈,由此实现对没路输出进行很好的控制。通过整流滤波的作用能够为人们提供一个相对较为稳定的电压反馈。
在通过UC3842对电路进行保护的时候,如果输入端出现短路的情况,就会导致过流的现象,从而导致漏极电流明显的提高,其中的电压也会有明显的提高。
如果引脚中的电压超过2V的时候,比较器中就会输出比高电平,这样就会使锁存器复位,输出也就会随之而关闭。在这种情况下芯片的引脚中是没有输出电压的,从而达到了保护电路的目的。如果电路中的电压太高,不能够很好的实现对占空比的调整,就会导致变压器中的电压升高,从而输出也会关闭。
在电路短路的情况下,电流的突然增大所产生的热量就会使电阻值增大,实现断路的作用,经过技术解决之后,自恢复开关便能够恢复其阻抗值。
根据示波器的显示我们可以发现,在直流母线的上电过程中电压不够稳定,但是在芯片的调解下,能够有效地保证电压输出,由此可见其抗干扰的能力是非常强的,所以在一些比较复杂的环境中也能够正常的工作。
在机电设备开关电源的设计中要实现电源通道之间的相互隔离,只需在原基础之上加入一些新的元器件就能够达到我们的目的,投资不高,能够更好的对变频器进行利用。根据机电设备中开关电源的使用调查情况可以发现,此电路系统是非常安全的。
3.变压器的设计细节
3.1 变压器参数
变压器的工作频率为50kHz,变压器的工作周期为30us,其工作效率η为0.87;变压器的电压为220v±50%,所以其范围为110v—330v,该变压器的输出功率为120w。
3.2 变压器设计过程
在变压器的设计过程中首先要按照整流管的损耗选择合理的刺心,变压器的输入功率通过计算式计算为率P输入=P输出/η=120/0.87=138W。变压器的磁芯一般都是选用铁氧体的磁芯,主要原因是由于这种磁芯的电阻率比较高,而且价格比较便宜。
UC3842能够有效的对电流的峰值进行控制,在其正常运转的情况下,该芯片的占空比要小于0.6,在变压器的设计过程中占空比按照0.5进行计算,所以说在变压器的工作过程中开关管的导通时间为12.5微秒,变压器的输入电压为180v。
变压器工作过程中的磁通密度也非常重要,在其温度处于100摄氏度的时候其磁感应强度为400mT,将此时变压器的振幅折中计算,此时交变电流的磁通密度为0.238T。
对于边缘线的匝数的计算时,首先要掌握变压器中磁芯的有效面积,不同的变压器的型号可以找出其中的固定数值等方面进行计算。变压器的电源输出端与负载之间连接的时候通常都会使得电压降低,在变压器的设计中就要在设计基础之上对每个输出电路多设计出一匝,这样能够得到一个要高一些的电压,自后再由稳压器的转换得到我们所需要的电压。
4.结语
对于机电设备开关电源的设计具有非常高的要求,在对于开关电源的设计中只有很好的把握好其中的技术关键才能够保证设计成功。
由于机电设备经常性的开启和关闭,所以在设计开关电源的时候要保证能够在电磁干扰比较低的情况下为其提供稳定的电源,通过选取合理的电容值,避免波纹的出现对机电设备的供电产生影响。由于机电设备开关电源在性能方面比较优越,在未来的机电设备中的应用会变得越来越广泛,所以对于此类问题的研究还要不断的深入。
参考文献
[1]张帅,李俊刚,王兴.开关电源设计[J].科技资讯,2011,34.
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关键词:开关电源 高频 小型
1 引言
随着电力电子技术的告诉发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 2 开关电源的分类
人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 2.1 DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类: (1) Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。 (2) Boost电路——升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,极性相同。 (3) Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。 (4) Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压UI,极性相反,电容传输。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200~300)kHz,功率密度已达到27 W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。 2.2 AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
3 开关电源的选用
开关电源在输入抗干扰性能上,由于其自身电路结构的特点(多级串联),一般的输入干扰如浪涌电压很难通过,在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势,其输出电压稳定度可达(0.5~1)%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件,在选用中应注意以下几点: 3.1输出电流的选择
因开关电源工作效率高,一般可达到80%以上,故在其输出电流的选择上,应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流,以使被选用的开关电源具有高的性能价格比,通常输出计算公式为: Is=KIf 式中:Is—开关电源的额定输出电流; If—用电设备的最大吸收电流; K—裕量系数,一般取1.5~1.8; 3.2接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰,对共模干扰敏感的用电设备,应采取接地和屏蔽措施,按ICE1000.EN61000.FCC等EMC限制,形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施,因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源,将其FG端子接大地或接用户机壳,方能满足上述电磁兼容的要求。 3.3保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能,故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块,并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配,以避免损坏用电设备或开关电源。 4 开关电源技术的发展动向
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的的可靠性大大提高。
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1.1基本拓扑
基本的拓扑包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、正激变换器、反激、半桥、全桥、推挽变换器。在课堂教学中应该使学生熟练掌握其工作原理、应用场所、电流连续和电流断续的工作波形、拓扑中的关键参数的计算,为学生设计基本的开关电源电路打下坚实的基础,这是第一层次,要求学生必须熟练掌握。尤其要着重讲解基本拓扑BUCK变换器,因为很多拓扑结构甚至是基本拓扑都可以由BUCK变换器变换得来。如果能在课堂上重点讲解BUCK变换器,使学生完全掌握BUCK变换器的原理和波形,对学生后期的开关电源学习将会大有助益。第二层次是以基本拓扑为核心部分的主功率电路各部分参数计算,相当于电源工程师的项目计算书部分,这也是电源工程师必须掌握的基本技能。由于课上时间有限,教师在课上会把拓扑中关键器件主要参数的计算方法给出,不可能把所有的参数计算一遍,所以导致有些学生就停滞在这个层次上,没有在课下把所有的参数,尤其是关系到器件选型的参数进行设计,为了解决这个问题,在课程中后期安排学生团队制作实物开关电源,在这个过程中就必须要对每个计算参数都要反复核算,这个教学环节取得了较好的效果。第三层次是主功率电路器件选型和调试,基本上只有参加过实物制作、电子设计大赛、实习项目的学生有机会达到这一步,通过实际存在的问题,就问题去解决,才会在实践当中结合他们上课学习的电源理论切实地体会调试电路的乐趣。
1.2PWM和PFC控制芯片
这部分会通过调研报告的形式让学生先去搜集相关PWM和PFC控制芯片的最新信息,先让学生去感知、去了解现在出来最新的控制芯片已经可以做到哪些功能了,此外重要的是积累总结每一个拓扑可以有哪些控制芯片来控制。让他们自己去发现问题,感知问题,带着问题和好奇,在课堂上授课教师会深入讲解PWM控制芯片的基本控制原理,通过工程项目详细讲解如何快速掌握一个新的控制芯片每个引脚的功能,电路的设计方法、元器件参数计算方法,使学生掌握如何用控制芯片来控制变换器实现电能的变换,学会设计控制芯片与变换器的连接电路,即检测电路和功率管的驱动电路。在课堂上教会学生使用PWM控制芯片数据说明书设计控制电路达到层次一,在课程学时中专门安排学生学习控制芯片电路的设计方法和参数计算方法达到层次二,不仅让学生掌握一种控制芯片的电路设计方法,更重要的是举一反三,在以后的设计和工作岗位上面对新的平台和控制芯片依然可以设计出符合要求的电路。
1.3变压器和电感设计
授课教师在课堂教学中依据教学改革培养电源工程师为目标不仅要介绍变压器和电感的各个参数的计算方法,还会结合实际项目讲授变压器同名端和异名端在实际电源制作时的注意事项,变压器的制作方法,掌握电压器参数的测试方法和测试工具,掌握用示波器和信号发生器测试变压器的匝比和同名端的方法。变压器和电感的设计直接关系到隔离型变换器的性能,很多学生对变压器和电感磁路设计部分学习起来会有些困难,所以这部分将作为课程的难点来重点讲解。
1.4保护电路设计
课堂教学中一部分学时将用来着重讲解各种保护电路,包括输入输出过压保护、过温保护、过流保护、输入欠压保护等。将采用调研报告、启发式和讨论式等教学方法引导学生去积累这些保护电路,学会在不同平台、不同应用场合使用不同的保护电路。
1.5闭环电路调试
结合自动控制原理课程的相关知识,着重讲解开关电源闭环电路的设计和分析,尤其是PID调节器的调试方法,结合实际项目演示电源工程师闭环电路调试过程,激发学生学习开关电源的学习兴趣,通过实物和仿真软件让学生体验调试的乐趣,这部分是开关电源课程重点讲解的内容,要联系实际项目,是课程的核心内容。以上5个部分是课程的主要教学内容块,完全按照培养电源工程师的目标下制定的教学计划,可以做到较好地给学生从课堂到就业的过渡,而不再是到了工作岗位上感觉课堂学习的东西和实际工作联系不紧密,什么知识什么技能都要工作之后学习。在课堂上,保证学生完全掌握第一个层次,通过课后作业、课堂实际项目案例、电源制作等形式的教学方法使大部分学生掌握层次二,在平时的教学中注意动手能力强或者电路设计能力强的学生,通过带学生电子设计大赛、创新大赛,或者学生在项目中辅助教师担任研发助理的工作等,使一部分学生研发能力可以快速提高,培养成具有基本技能的初级电源工程师。
2课程考核方式改革
考虑到开关电源课程的实践性强的特点,着重考核学生掌握所学的基本电路拓扑理论和技能,能综合运用所学知识和技能去分析电路、调试和测试电路、分析电路故障及排除电路故障的能力。
2.1制作电源实物
基于课堂系统的理论学习,独立制作75W单管正激变换器实物的能力考核,该正激变换器采用何种磁复位技术不限,根据班级人数,3~4名同学为一个小组,明确不同分工,共同制作出一款正激变换器。同时培养学生的团队合作意识,考核的内容也要增加当该团队遇到分歧和困难的时候,是如何解决的。
2.2课堂表现
主要是包括回答问题的情况,对问题分析的程度,出勤率,在平时小组讨论时的表现和活跃程度。
2.3科研报告、口头汇报
通过让学生搜索近3年国内外开关电源、尤其是通信电源技术和产品的最新发展概况,增强学生的自我学习能力,在以后的学习和工作中掌握更新自己开关电源知识体系的能力,这是我们教学的重点,不只是教会学生电源的基本知识,还要教学学生学习探索开关电源领域的学习方法。选取部分优秀学生的科研报告由学生浓缩成5分钟的口头汇报结合PPT、实物动画等多媒体展示方法在上课前5分钟做口头汇报分享给学生们。不仅较好地激发学生学习开关电源的兴趣也能够充分锻炼学生的公开演讲能力。
2.4作业
作业着重在学生是否是自己独立完成的电路设计,而不是应付了事。哪怕学生的设计内容很少,但是只要是他们自己经过思考得来的就要比其参考其他人的作业效果要好很多。
3开关电源技术教学改革反思
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结论 新规定对灭菌前后进行完整记录,有利于灭菌效果的检测和质量的控制,使其有可追溯性。
【关键词】医院设备 开关电源 维修
随着医学电子技术的不断发展,医疗设备的种类也逐渐增多,医疗设备的好坏与治疗患者的程度有着紧密的关系,但是任何一台医疗设备都离不开电源,绝大部分电源属于开关电源,在日常生活中,大部分的故障都是因为电源的无法使用导致的,所以针对这一点而言,应该将开关电源的维修重视起来,由于医疗设备本身存在着特殊性,给具体的施工带来了很大的不便,本人主要针对医院设备开关电源的维修做相关的阐述,内容如下[2]:
一、医疗设备开关电源的常见故障
随着科技的不断进步,医疗设备趋向于以安全性,稳定性以及准确性的方向发展,这种发展至关的体现了高度集成电路的应用,虽然说设备逐步朝着更好的方向发展,但是由于医疗设备本身的特点,决定了在实际工作中对电压以及电流有着比较高的要求,所以针对电源而言,更应该选择安全可靠的电源,以保障设备的安全运行。在实际的工作中,电子仪器中的电源出现故障的几率最高,在实际应用中,开关的故障也居榜首,要保障设备可以稳定工作,对于电源的维修应该进行详细的技术分析[3]。
二、电源维修的原因分析以及检修
在进行医疗设备开关电源维修的过程中,首先应该观察的是电源的外观,观察有无电容的爆裂,再有就是观察电阻是否因为高温而变色,集成块的破裂,变压器有无击穿糊点等,并且应用万用表来检查开关中各功率是否有出现短路的情况,在电源开关中,三极管和开关变压器是其核心,直接影响着开关的质量以及寿命,针对三极管而言,在反压状态下,如果没有相关的保护电路,非常容易出现被烧毁以及击穿的现象,在这里,就应该选择比较好的开关管,因为好的开关管可以保障电源的稳定,其中他也是电源的发热元件之一[4]。
相对于普通的开关电源来讲,在开关中最重要的是调整设备元件的闭合状态,因为如果电路出现异常,开关的元件就会自动断开,这个时候设备就会停止工作,以保障设备的安全,当开关电源发生故障的时候,一定要在故障预处理中将主要输出端和地面之间接上电阻,这一点是很重要的[5]。
针对医疗设备而言,需要注意监测开关的电源,确保地线的埋设方式,最好采用隔离变压器,这样可以提高设备的性能,在进行医疗设备检测的过程中,应该将设备与电源隔离,因为存在故障元件的开关设备,非常容易产生绝缘击穿的现象,造成局部高压,所以针对这一点而言,应该引起维修人员的注意[6]。
在医疗设备中,电源的设计主要是为了保护设备,防止设备的损坏,为了保证设备的正常工作,应该加强人员的管理,提高维修人员的整体素质,在开关发生故障的时候,第一时间检查出原因,并且及时的进行维修。以便于工作的顺利开展。
三、讨论
由于医院的特殊性,决定了在医院的日常工作中,应该加强医院设备的维修和管理,针对医院的设备而言,开关起着至关重要的作用,因为设备的开关在一定程度上保障着设备的安全,开关中有很多组成部分,在实际工作中,首先要保证开关的质量,以增加其年限,然后就是进行经常性的维修,防治由于开关问题而造成的设备损伤。在医院中,医疗设备的功率都比较大,经常会有大电流经过,出现事故的频次也多,在维修的过程中,切记不购买劣质的开关,并且要结合电器本身的特点进行维修,在保障开关质量的同时,保障设备的正常运行,只有这样,才能让医院的医疗设备更好的为患者服务。
参考文献
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[3] 赵雁平,钟财进,赵小红.北京万东F-ⅢAT型500mAX线机故障维修一例[A].中华医学会第十三届全国放射学大会论文汇编(下册)[C],2006.
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关键词: 开关电源;井下电机;PWM;UC1525A
中图分类号:F407.61 文献标识码:A
井下智能钻井工具一般采用涡轮发电机作为电源,驱动井下电机控制执行机构工作,实现井下闭环控制。涡轮发电机输出的直流电压受泥浆脉冲影响,波动大,未经过开关稳压,导致电动机供电电压不稳定,在低速运行时不平稳,限制了电动机的低速性能,影响井下智能钻井工具正常工作。为此,设计了一种井下DC-DC开关电源,为井下电机提供稳定直流电压,确保电机在低速状态下平稳运行,进而提高井下智能钻井工具工作的可靠性及稳定性。
1 总体设计方案
1.1 总体电路设计
DC-DC电源工作在井下高温高压环境中,且靠近发电机及力矩电机震动源。在这种环境温度下,常规半导体电子器件及其组成的电路将难以可靠工作。本设计中输入电压高于输出电压,为尽可能减少所用器件以降低高温情况下因单个器件不稳定导致平均工作寿命减少的情况发生,对比其他电路结构及功率输出情况后,采用BUCK结构电路。开关频率定为3kHz,输入直流电压范围:90-220V,输出电压:48V±2V,输出电流:10A±2A,最大功;500W,最大外径:100mm,工作温度:125℃。
1.2 主电路设计
主电路中,输出滤波电感采用铁硅吕磁环,以适应井下振动环境,电感按临界模式计算,为:
式中Vo为输出电压,Dmin为占空比最小值,Iomin为输出电流最小值,T为周期。
单个电感采用五个77191A7铁硅铝磁环叠加共绕,采用了多个磁环叠加绕制后并联使用。
输出端滤波电容最小值满足:
PWM控制电路核心部分采用了TI公司的UC1525A控制器,该控制器工作温度可到125℃,满足井下工作环境对器件的要求,输出级为两路图腾柱式输出,最大驱动电流200mA。
开关MOS管的源极是悬浮的,为形成相对的驱动电压Ugs,采用变压器隔离驱动,开关管采用MOSEFT,驱动功率相对较小,为加速MOSEFT快速导通和截止,减少开关损耗,输出端加入耦合电容和PNP型三极管。为防止由于变压器漏感带来的尖峰电压击穿MOSFET,采用钳位二极管。
考虑到井下高温强振的工作环境,高频变压器采用德国VAC公司超微晶磁材料VITROPERM 500F(居里温度为600℃),VAC公司的超微晶材料VITROPERM 500F用作开关电源功率变压器,铁损低,饱和磁通密度、磁导率高,可以抵抗强振动应力。
通过以上设计与计算,得到主电路电路设计图如图1所示。
1.3 单端正激式辅助电源设计
为保证主电路PWM控制器稳定工作,引入辅助电源,为开关管驱动电路及两个PWM控制器UC1525A供电。设计参数12V/400mA,即该电路可实现输入60~200VDC,输出12V/400mA。由于主电路采用的是BUCK非隔离结构,辅助电源设计时为简化电路采用非隔离式,如图2所示。
辅助电源中,考虑涡轮发电机整流后的电压容易超出三极管极限参数,为保证稳定,自启动电路设计采用两个三极管串联使用, Rb1,Rb2 ,Rc1为限流电阻。C13上的电压给辅助电源上的PWM控制器提供启动时间,随后当变压器输出端有稳定电压时,将由输出端提供能量。为防止输出端负载对充电回路的影响,加入二极管D14。采用该种方法设计可以减少限流电阻上的损耗,保证辅助电源稳定启动,为主电路PWM控制器提供相对稳定的电源做好铺垫。
单端正激式变压器磁芯材料采用德国VAC公司的超微晶材料磁环W373,由于辅助电源功率较小,故开关频率可以取得稍大,开关电源频率为50KHz。
整流滤波电路设计同BUCK结构设计类似。控制器同样采用TI公司的UC1525A,与BUCK结构设计方法相同。
1.4 开关电源热设计
本文所设计的开关电源在井下高温强振环境中工作,必须将发热器件产生的热量尽快发散出去,使温升控制在允许的范围之内,以保证可靠性。考虑工作环境特点,本设计采用散热片为开关电源散热。
MOS管采用IRFP460A,为尽可能好的散热,将功率管固定于散热片上,功率管和散热片之间加入导热系数好的散热硅脂。
2 开关电源性能测试
为确保所设计的开关电源能够满足系统性能需求,在实验室对样机进行性能测试。
2.1 开关电源基本功能测试
由于前端电压波动较大,为更好地看到效率与输出功率及输入电压波动情况,采用取样分别测量整流后电压70V、100V、145V、195V时效率随输出功率变化情况。测量输出功率时用直流档,测量整流前端输入功率时用有效值档,结果如表1所示。
2.2 开关电源可靠性测试
满额功率输出时,温度达到动态平衡时开关管最大温升约为15℃(采用点温仪测试)。电压及纹波参数均未出现异常现象,常温特性比较好。电源性能良好,输出电压误差小于1V。经过近800次开关通断电,电路工作状况未发生问题,电路输出电压不受影响。
长时间工作于150℃时,电路板及开关器件均正常,随着负载功率上升,输出电压有下降趋势。
3 结论
3.1 应用于钻井井下的开关电源,其主电路拓扑形式选用BUCK电路,所用电子器件少,结构形式简单,能够满足井下狭小空间对于工具尺寸的要求。
3.2 开关电源控制环路设计过程中需建立开关电源完整的小信号数学模型,并对其进行开环小信号分析,确保其稳定性。
3.3 主电路与辅助电路设计中对输出滤波参数的计算一方面采用理论计算,一方面采用经验值并考虑温度等特性,器件选型上有一定余量,保证其稳定工作。
3.4 在高温条件下,需要考察开关电源功率器件散热量和环境温度的平衡温度点以及功率器件在电源舱不同位置时的温升平衡点,确定功率器件最佳散热位置布局,实现开关电源温升最小化。
参考文献
[1]PRESSMAN A L.开关电源设计[M].王志强,译.北京:电子工业出版社.2005.
[2]周习祥,杨赛良.BUCKDC/DC 变换器最优化设计[J].电子设计工程,2010.
[3]赵负图.电源集成电路手册[M].化学工业出版社,2003.
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关键词:开关电源发展状况;最新研究成果;存在的问题
中图分类号:TM462 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2013)052-010-01
1 发展状况
开关电源本质上是电压转换器,主要的任务是电压的变换,现在的应用是相当的广泛。利用开关管工作在“接通”和“关断”两种状态,因此俗称开关电源。它与传统变压设备相比具有诸多优点,比如说稳定性得到大幅度提升、转换效率很高、体积小便于集成化等等,但是开关的电源的功率现在仍然是一个瓶颈。开关电源的发展方向频率越来越高,频率高了之后使开关电源体积变小,开关电源也随之有更加广泛的应用领域。开关电源就是利用电子器件晶体管、GTR和IGCT管等等,通过脉宽调制技术,使开关管不停地“开”和“关”,晶体管、GTR和IGCT管对波形进行脉冲调制,来实现直交、直直等电压变换。但是与传统的线性电源不同的是,线性电源管子工作在线性区;开关电源是通过脉冲宽度调制让功率管只工作在开和关两种状态下,在导通和关断两种状态中,功率管上产生的损耗极小,因此便于集成化和高频化。
开关电源现在是开发器件的同时研究开关控制技术使开关电源在近年来得到迅猛的发展。开关电源以交流变直流和直流变直流两大类,也有交交和直交如逆变器等。直流变换器已经实现标准化和序列化,交流变直流的变换器,由于其线路元件较难以集成化和序列化,现在还处于瓶颈阶段。
2 最新成果
2.1 非隔离直流变换器
非隔离式直流变换器发展迅速。现在的设备对电源的要求很高,对不同负载能输出各种电流和电压等级。交流直流变换器显然不能符合这个要求的。现在逐渐开发出了非隔离的直流变换器,一种要求开关元件在其内部,成为直流转换器。另一种开关元件采用外接,称直流控制器。在非隔离的直流变换技术中,美国德州仪器公司的直流变换器转换效率相当高约有百分之三的误差。
2.2 开关电源数字化成为其主流方向
现在在电力电子技术的各个应用领域当中,只剩下开关电源技术没有数字化。经过不懈努力数字电源技术前沿的公司有美国德州仪器公司和美国微芯半导体公司。他们将数字信号处理方面的优势,带人了开关电源领域。其中功率因数校正和脉冲宽度调制部分完全为数字控制。美国德州仪器公司对硬件部分和软件部分同时进行检测和处理。
2.3 同步整流技术
同步整流是采用通态电阻极低的专用金氧半场效晶体管,用来替代整流硅二极管以降低损耗的一种新技术。它能大大提高直流变换器的效率并且。专用金氧一半场效晶体管,它在导通时的电压和电流成比例关系。采用专用金氧一半场效晶体管做整流器时,电源电压初相和频率保持一致,这个就是同步整流名字的由来。
同步整流技术自本世纪初出现以来,得到了飞速的发展。工程师最喜欢采用智能控制技术的同步整流来做开关电源。现在的工程师都在努力实现零电压开通和零电流开通方式。美国银河公司拥有这方面的技术专利其转换误差率在7%以内。
3 开关电源存在的问题
电力电子整流滤波电路对电网的电流污染十分严重,电机启动时产生很大的启动电流,导致功率因数很低。各种整流电路,尤其是大容量整流设备的应用,使电网输入电压波形发生畸变,形成非正弦电流,对电压和电流波形进行傅式变换,不难看出除了基波分量之外,还有各种高次谐波分量。尤其是三次谐波和五次谐波,这些高次谐波对电网中运行的其他设备造成电力公害。使系统功率因数下降,无功功率增加,给电网造成沉重的负担,造成巨大的浪费并影响供电质量。问题主要有以下几方面。
1)降低电网的可靠性。电能的生产、运输和利用效率大大降低,使电网的电压波形不再是标准正弦波。
2)电网电压和电流超过额定值。对于电力系统中的储能元件L和C。供电系统与补偿电感电容构成谐振回路,可在某处产生谐振,使设备无法正常工作,电能质量下降。
3)在系统中工作的各种仪器仪表会随之产生测量误差。因为我们的仪器仪表都是工作在工频状态下的,在测量正弦50Hz时能使其工作在合理状态下,但是这些仪表用于测量非正弦电压和电流时,系统误差很大,轻则影响其测量结果,重则使仪器仪表无法正常工作造成损坏。
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1 基本理论
开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的,即由Vc与锯齿波信号比较,产生PWM波形。根据锯齿波产生的方式不同,开关电源的控制方式可分为电压型控制和电流型控制。电压型的锯齿波是由芯片内部产生的,如LM5025,电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的,如UC3843。对于反激电路,变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。
输出电压Vo与控制电压Vc的比值称为未补偿的开环传递函数Tu,Tu=Vo/Vc。一般按频率的变化来反映Tu的变化,即Bode图。
电压型控制的电源其Tu是双极点,以非隔离的BUCK为例,形式为:
电流型控制的电源其Tu是单极点,以非隔离的BUCK为例,形式为:
各种电路的未补偿的开环传递函数Tu可以从资料中找到。本讲座的目的是提供一种直观的环路设计手段。
2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu
2.1 开关平均模型
开关电源的各个量经平均处理后,去掉高频开关分量,得到低频(包括直流)的分量。开关电源的建模、静态工作点、反馈设计、动态分析等都是基于平均模型基础之上的。若要得到实际的工作波形,应按实际电路进行时域仿真(Time Transient Analysis)。
将开关电路中的开关器件经平均化处理后,就得到开关平均模型,用开关平均模型可以搭建各种电路。
以下是几个开关电源的平均模型仿真例子,从电路波形中看不到开关量,只是平均量,比如电感中流过的电流是实际电感中的电流平均值,电容两端的电压是实际电容两端电压的平均值等等。
2.1.1 CCM BUCK(连续模式BUCK)
先直流扫描Vc,得到所需的输出电压,即得到了电路的静态工作点。然后交流扫描,得到Tu的Bode图。Tu为双极点。此处Vc等同于占空比d。
2.1.2 DCM BUCK(断续模式BUCK)
按以上方法得到Tu,在DCM下,Tu变成单极点函数。模型CCM-DCM即可用于连续模式,也可用于断续模式。此处Vc仍等同于占空比d。
2.1.3 CCM BOOST(连续模式BOOST)
可以用模型搭建各种电路,如连续模式BOOST。
此处采用CCM-DCM模型可能仿真不收敛,为使仿真更好地收敛,建议什么电路模式采用对应模型。此处Vc也等同于占空比d。
2.1.4 Flyback
n是变压器变比,原边比副边;L是变压器原边电感量。此处V6等同于d。
2.2 受反馈电压控制的仿真
实际电路中,占空比d的产生主要有两种方法:电压控制和电流控制。仿真时,电压控制中d的产生方式如下:
Vc是反馈回路的输出电压,GAIN的放大倍数等于锯齿波幅值的倒数,若锯齿波幅值为Vm,则GAIN=1/Vm。
电流型控制中d的产生方式如下:
同上,Vc是反馈回路的输出电压;IL是用于产生锯齿波的电流信号,例如在BUCK电路中是输出电感电流,在Flyback中是变压器原边电流;V1是使电流上升的电压,V2是使电流下降时的电压;占空比d及d2是输出变量。
至此,我们可以得到控制电压Vc到输出电压Vo的传递函数Tu。下面是几个仿真Tu的例子。
2.2.1 电压型控制的CCM BUCK
上述几个例子中加入GAIN就变成电压型控制的仿真电路了。
2.2.2 电流型控制的CCM BUCK
转贴于 电流互感器将输出电感的电流信号变成电压信号IL,产生锯齿波,模型CPM将控制电压Vc与锯齿波比较产生占空比d的PWM波。MOS开通时,L1中的电流上升,使其电流上升的电压V1是Vg-Vo;Mos关断时,Vo加在L1上,使其电流下降的低电压V2=Vo。参数Rs是检流电阻,mva是斜坡补偿的斜率,单位是V/S,L是输出电感,fs是开关频率。
2.2.3 带变压器隔离的电流型BUCK电路
由于电路带变压器,所以平均开关模型也要用带变压器的模型CCM-T(带变压器的电流连续模式的模型)。参数Rs是原边检流电阻,n是变压器变比(原边:副边),mva是斜坡补偿的斜率,单位是V/S。
2.3 仿真实例
实际电路中,选用不同的控制芯片,控制电压Vc的产生方式是不同的。以下是几个我们在工作中经常用到的几种控制芯片的仿真实例。
2.3.1 带变压器隔离的电流型CCM(UC3843)
UC3843-1
UC3843自带的运放归为反馈回路,运放输出的电压作为控制电压Vc。V9芯片内部的两个二极管压降,GAIN的放大倍数等于芯片内的电阻分压。
此电路采用电流互感器采样原边电流,对于如下的采样电路,Rs=R/n,n是电流互感器的匝比(n:1)。
UC3843的斜率补偿,对于下图电路,补偿斜率 (V/s)
2.3.2
带隔离和电压前馈的电压型CCM(LM5025)
LM5025-1
V6对应于芯片内部反馈信号的1V压降,R、C为产生锯齿波的参数。
2.3.3准谐振反激电路 (UCC28600)