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開關(guān)電源原理與設(shè)計中-資料下載頁

2024-11-03 01:12本頁面

【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)電源的優(yōu)劣性能。電磁兼容性設(shè)計的介紹。根據(jù)反饋回路信息控制開關(guān)的開合調(diào)整占空比獲得穩(wěn)定電源輸出。采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器抑制共模騷擾。通過緩沖和鉗位的方法克服反向尖峰電流和尖峰電壓。新接地技術(shù)分離噪聲源和敏感電路。得其體積小,重量輕,效率更高,在中、小功率的市場已經(jīng)代替了線性穩(wěn)壓電源的地位。此,開關(guān)電源對電網(wǎng)會造成污染。開關(guān)電源向周圍空間的輻射騷擾、開關(guān)電源對同一電網(wǎng)中其他用電設(shè)備。的高頻傳導(dǎo)干擾等電磁兼容方面的問題成了阻礙開關(guān)電源進一步推廣發(fā)展的絆腳石。世界市場大門的通行證,而開關(guān)電源的電磁兼容性更是首當(dāng)其沖。無阻,被消費者接受。EMI是指電器產(chǎn)品向外發(fā)出干。EMS是指電器產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力。影響,也不對周圍環(huán)境造成電磁干擾。電磁干擾的三個要素是干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。開關(guān)電源工作時,副邊整流電路的高速恢復(fù)二極管也處于高頻通斷狀態(tài)。極管和濾波電容也構(gòu)成了高頻開關(guān)電流的環(huán)路。

  

【正文】 在濾波器中出現(xiàn) 的靜電積累。 圖 4 開關(guān)電源交流側(cè) EMI 濾波器電路 圖 5 是開關(guān)電源的直流輸出側(cè)濾波電路,它由共模扼流圈 L L2,扼流圈 L3 和電容 C C2 組成。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用,磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯。 圖 5 支流側(cè)濾波電路 用屏蔽來抑制輻射及感應(yīng)干擾 開關(guān)電源干擾頻譜集中在 30MHz以下的頻段,直徑 rλ/2π,主要是近場性質(zhì)的電磁場,且屬低阻抗場??捎脤?dǎo)電良好的材料對電場屏蔽,而用導(dǎo)磁率高的材料對磁場屏蔽。此外,還要對變壓器、電感器、功率器件等采取有效的屏蔽措施。屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形,在滿足通風(fēng)的條件下,孔的數(shù)量可以 多,每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接,以保證電磁的連續(xù)性。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施。對于電場屏蔽,屏蔽外殼一定要接地。對于磁場屏蔽,屏蔽外殼不需接地。 合理的 PCB 布局及布線 敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設(shè)備相連的線路。要降低干擾水平,最簡單的方法就是增大干擾源與敏感線路的間距。但由于受電源尺寸的限制,單純的增大間距并非解決問題的最佳途徑,更為合理的方法是根據(jù)干擾電場的分布情況將敏感線路放在干擾較弱的地方。 PCB 抗干擾布局設(shè)計流程如圖 6 所示。 圖 6 PCB 抗干擾布局設(shè)計流程 開關(guān)電源技術(shù)參數(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是計算機、通信和航空事業(yè)的迅速發(fā)展,人們對各種儀器設(shè)備的體積、重量、效率要求是越來越高。這就為體積小、重量輕、效率高的開關(guān)穩(wěn)壓電源提供廣闊的發(fā)展空間。下面我們給出開關(guān)電源的主要技術(shù)參數(shù),客戶選用產(chǎn)品時應(yīng)參閱相應(yīng)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格書。 一 .主要技術(shù)參 數(shù) 交流輸入電壓范圍: 85132VAC, 176265VAC 或 85265VAC 輸入頻率范圍: 4763Hz 直流輸入電壓范圍: 928VDC、 1836VDC、 3672VDC、 85176VDC、 200400VDC、 輸出電壓: 輸出功率: 效率: 75%(典型值) 線性調(diào)整率: ≤% 負載調(diào)整率: ≤1% 紋波及噪聲: ≤1%V。 輸出保持時間: 20ms( 220VAC,典型值) 1啟動時間: 1溫度系數(shù): 177。%/℃ 1輸出電壓調(diào)整范圍: 177。10%(主路) 1輸出過載保護: 105%150% 1輸出過壓保護: 115%150% 1耐壓:輸入 輸出 3KVAC/min( )、輸入 地 、輸出 地 1絕緣阻抗: ≥100MΩ( 500VDC) 1工作環(huán)境溫度: 045℃ 、 10℃ 60℃ 、 25℃ 60℃ 、 25℃ 75℃ 1安全標(biāo)準(zhǔn):符合 GB4943, UL1950, EN60950, CE, CCC 等安全規(guī)范 EMC 標(biāo)準(zhǔn):符合 EN55022 CLASS B, FCC Part 15,EN61000 21. 壽命:可以在 45℃ 的環(huán)境溫度下,滿載工作一年以上。 開關(guān)電源多路輸出技術(shù)控制方法綜述 多路輸出技術(shù)中一個重要性能指標(biāo)就是負載交叉調(diào)整率的問題,我們通常采用變壓器副邊多個繞組的方法來實現(xiàn)多路輸出。但是這種方法一般只采樣一路主輸出進行反饋調(diào)節(jié)控制,因此交叉調(diào)整性能較差。改善多路輸出開關(guān)電源交叉調(diào)整率的方法可分為無源和有源兩類。本文首先介紹了幾種傳 統(tǒng)的多路輸出技術(shù),并對其進行了簡單的分析和總結(jié)。重點介紹了兩種新的多路輸出技術(shù):恒流源實現(xiàn)多路輸出和 PWM—PD 多路輸出技術(shù)。結(jié)合典型拓撲探討了 PWM—PD 技術(shù)的應(yīng)用前景。 l 傳統(tǒng)的多路輸出方法 1)無源調(diào)節(jié) 無源調(diào)節(jié)通過在次級增加一些簡單的無源器件可以使負載交叉調(diào)整率得到一定的改善。無源調(diào)節(jié)包括耦合電感調(diào)節(jié)控制和加權(quán)電壓反饋調(diào)節(jié)控制兩種,如圖 1 所示。前者通過將輸出電感 L L2 繞在同一磁芯上,相當(dāng)于增大了濾波電感,使輔輸出穩(wěn)壓,從而使負載交錯性能得到一定改善。加權(quán)電壓反饋調(diào)節(jié)同時檢測反饋幾路 輸出電壓加權(quán)和到控制電路中,通過合理設(shè)計各路輸出反饋電壓的加權(quán)因子,調(diào)整各路輸出電壓。這兩種方法都存在調(diào)節(jié)誤差。但它們實現(xiàn)起來比較簡單,不增加電路的復(fù)雜性,適用于對輸出電壓精度要求較低的場合。 2)有源調(diào)節(jié) 有源調(diào)節(jié)也可稱為次級后置裝置調(diào)節(jié),即通過在變壓器副邊加入一級有源調(diào)節(jié)裝置對次級整流電路進行調(diào)整來實現(xiàn)對輔輸出電壓的調(diào)整。以正激電路為例,圖 2 給出了五種不同類型的次級后置裝置調(diào)節(jié)方式,他們具有各自的優(yōu)缺點。表 l 給出了不同類型調(diào)節(jié)方式在電路結(jié)構(gòu)、效率、性價比、調(diào)整率以及應(yīng)用場合等方面的特性比較。 2 新奇的多路輸出技術(shù) 1)恒流源實現(xiàn)多路輸出技術(shù) 傳統(tǒng)的多路輸出技術(shù)存在交叉調(diào)整率較差或者電路過于復(fù)雜等問題,恒流源多路輸出技術(shù)通過對幾個控制開關(guān)的簡單控制可很好的實現(xiàn)對不同負載的供電。 (1)工作原理 圖 3 給出了恒流源實現(xiàn)多路輸出的基本工作原理。如圖所示,多個平行負載分別通過一個輸出控制開關(guān)接在恒流源的后級,采用分時復(fù)用 (TM)的方法,每個輸出開關(guān)在一個開關(guān)周期內(nèi)只有一段間隔時間與電流源連接,通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷時間可以控制每路輸出電容上的電壓值,實現(xiàn)多路輸出電壓。該恒流源可以用平 均電流控制型 Buck,Buck—Boost, SEPIC,反激等單電感 PWM DC—DC 變換器來實現(xiàn),假如輸入輸出需要電氣隔離則可用正激變換器拓撲。根據(jù)不同的電路拓撲,電路可工作在斷續(xù) (DCM)模式,也可工作在連續(xù) (CCM)模式,還能實現(xiàn)輸出的雙極性。 (2)控制方法 輸出開關(guān) S S S3 的占空比控制有幾種控制方法。一種是滯后控制,如圖 4 所示。t1 時間內(nèi)第一路輸出電壓 Uo1 低于其下限值時, S1 導(dǎo)通,電流源對輸出電容 C1 充電,輸出電壓逐漸升高,當(dāng)達到它的上限電壓值時, S1 關(guān)斷。當(dāng) S S S3 都關(guān) 斷,沒有任何負載與恒流源接通時, Sr 導(dǎo)通,恒流源通過 Sr 續(xù)流。每路輸出與恒流源的導(dǎo)通時間在一定范圍內(nèi)取決于它的滯后帶寬。采用滯后控制的功率開關(guān)管開關(guān)頻率是不斷變化的,不利于電路參數(shù)的設(shè)計。 電壓反饋控制是另一種更可取的方法,對各個開關(guān)進行恒頻脈寬調(diào)制控制,各路輸出開關(guān)的控制信號應(yīng)選用同一斜坡信號以保持同步。以兩路輸出的 Buck 變換器為例,如圖 5 所示。 VT1 和 VT2, VTr 和 VT1, VTr 和 VT2 的驅(qū)動信號之間須有一定的死區(qū)。 恒流源實現(xiàn)多路輸出技術(shù)的方法電路磁性元器件少,控制電路簡單,如開關(guān)占空比留 有一定的死區(qū)時間則各路輸出之間完全不存在負載交叉調(diào)整率的問題,但輕載時效率較低,比較適用于便攜數(shù)字電路系統(tǒng)中的儲備電源。 2)PWM—PD(Pulse width modulation—pulsedelay control)多路輸出技術(shù) (1)工作原理 PWM—PD 多路輸出技術(shù)基于脈寬調(diào)制一脈寬延遲控制技術(shù)之上研究出新的多路輸出變換器拓撲。利用 PWM—PD 多路輸出技術(shù)獲得的獨立控制參數(shù)個數(shù)多于拓撲中可控器件的個數(shù)。它的基本工作原理如圖 6(a)所示,以正反激變換器為例。電路有三路輸出,兩個功率開關(guān) 管,中間為功率級。要實現(xiàn)三路精確輸出則需要三個獨立控制參數(shù)對電路進行控制。占空比 dA、 dB 分別為 VTA、 VTB 的同頻控制信號,控制第一路和第三路的輸出電壓。另外一個控制信號取決于 dA、 dB 之間的延時 dA、 dd dB 控制第二路輸出電壓。這樣三個控制信號 dA、 dB、 dd dB 就可實現(xiàn)三路輸出的精確調(diào)節(jié)。電路只需控制兩個開關(guān)功率器件就能獲得三路輸出電壓。該控制電路可以通過模擬集成芯片實現(xiàn),亦可采用數(shù)字控制,控制信號 dA、 dB、 dd 應(yīng)滿足下面條件,如圖 6(b)所示。 (2)典型應(yīng)用 PWM—PD 多路輸出技術(shù) 適用于很多 DC/ DC 拓撲。根據(jù)中間的 DC/ DC 變換器功率模塊的不同拓撲結(jié)構(gòu)可分為以下三類: ① 無隔離變壓器的變換器,如圖 7(a); ② 有變壓器并接有后置調(diào)節(jié)裝置的變換器,其中又包括變壓器多副邊及單副邊繞組兩種情況,如圖 7(b); ③ 有變壓器但不接后置調(diào)節(jié)裝置的變換器,如圖 6(a)。 上述幾種 PWM—PD 多路輸出拓撲有些只適用于非隔離場合,有些受到功率等級的限制。文獻提出了一種基于 PWM—PD 控制技術(shù)的全橋式多路輸出變換器,見圖 8。 基本工作原理:開關(guān)管 VT1 和 VT2 組成第一路不對稱半橋, VT3 和 VT4 組成第二路不對稱半橋,兩組不對稱半橋并聯(lián)則組成一個全橋電路。對三路輸出分別進行采樣可獲得三個誤差放大電壓。利用 Uo2 的誤差信號產(chǎn)生兩路 PWM—PD脈沖分別同步兩路 PWM信號,兩路 PWM 信號可分別產(chǎn)生兩路互補信號 UVTl、 UVT2 和 UVT UVT4,經(jīng)脈沖隔離變后分別控制四個開關(guān)管,則 Uo1 和 Uo3 可分別通過控制 UVT1 和 UVT3 的占空比獲得精確控制, Uo2 由 UVT1 和 UVT4 之間的相移控制。 此外,通過擴展橋臂還可以實現(xiàn) 2N 一 1 路輸出 (N為橋臂數(shù) ),每一路都能獲得精確控制。利用變壓器漏感 還可以實現(xiàn)四個開關(guān)管的 ZVS 運行,使變換器可以工作在更高的開關(guān)頻率。該方法較之傳統(tǒng)的后置裝置調(diào)節(jié)控制電路更為簡單,所需元器件少,成本低,效率高,交叉調(diào)整率好,輸出電壓精確,對輸出電壓調(diào)整率要求高的大功率場合如通信電源、工業(yè)電源等具有實際意義。 3 結(jié)束語 交叉調(diào)整率是評估多路輸出開關(guān)電源的重要性能指標(biāo)之一。本文對傳統(tǒng)的多路輸出控制技術(shù)進行了簡單介紹和總結(jié),對于輸出精度不高的場合,低成本的無源調(diào)節(jié)方式可以滿足設(shè)計要求。隨著通信、數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,輸出調(diào)整率好的大功率多路輸出變換器越來越受到業(yè)界的歡迎 ?;?PWM—PD 控制技術(shù)的多路輸出變換器控制簡單,所需元件少,效率高,交叉調(diào)整率好,其研究對未來多路輸出技術(shù)的發(fā)展具有很好的參考價值
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