【正文】 源產(chǎn) 品的標準化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實現(xiàn)。此外，電源系統(tǒng)的熱測試、 EMI 測試、可 *性測試等技術的開發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。 電源系統(tǒng)的 CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設計、熱設計、 EMI 設計和印制 電路板 設計、可 *性預估、計算機輔 助綜合和優(yōu)化設計等。為仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開關管的熱模型、可 *性模型和EMC 模型。變化速度越快，電磁噪音越大。國內外許多大學均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究，并取得了不少可喜成果。同時，電力電子電路 (如開關變換器 )內部的控制電路也必須能承受開關動作產(chǎn)生的 EMI 及應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。有些情況 還會引起強電磁場 (通常是近場 )輻射。 關注點八：電磁兼容性 高頻開關電源的電磁兼容 EMC 問題有其特殊性。對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正，電壓檢測也更精確 。近兩年來，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。全數(shù)字控制是一個新的發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用。 現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高，為降低微處理器 IC 的電場強度和功耗，必須降低邏輯電壓，新一代微處理器的邏輯電壓已降低至 1V，而電流則高達 50A～ 100A，所以對 VRM的要求是：輸出電壓很低、輸出電流大、電流變化率高、快速響應等。 如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將 PFC 變換器和后級 DC/DC 變換器組合成一個拓撲，構成單級高功率因數(shù) AC/DC 開關電源，只用一個主開關管，可使功率因數(shù)校正到 以上，并使輸出直流電壓可調，這種拓撲結構稱為單管單級即 S4PFC 變換器 。三相 APFC 的拓撲類型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。 關注點五： PFC 變換器 由于 AC/DC 變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，在正弦電壓輸入時，單相整流電源供電的電子設備，電網(wǎng)側 (交流輸入端 )功率因數(shù)僅為 ～ 。可在線更換失效模塊等。容易做到熱分布均勻、便于散熱設計 。易于擴增負載容量 。 關注點四：分布電源結構 分布電源系統(tǒng)適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站 (如圖像處理站 )、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源，其優(yōu)點是：可實現(xiàn) DC/DC 變換器組件模塊化 。 對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器，進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態(tài)損耗。 高頻化以后 ，為了提高開關電源的效率，必須開發(fā)和應用軟開關技術。對高頻磁元件所用磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性能優(yōu)越。為了減小電力電子設備的體積和重量，必須設法改進電容器的性能，提高能量密度，并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻 ESR 小、體積小等。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的 電壓 振動 變換和 振動 電壓 變換的性質傳送能量，其等效電路如同一個串并 聯(lián)諧振電路，是功率變換領域的研究熱點之一。 二是應用壓電變壓器。使開關電源小型化的具體辦法有： 一是高頻化。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。 可以預見，碳化硅將是 21 世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。隨著工藝和結構形式的不同，IGBT 在 20 年歷史發(fā)展進程中，有以下幾種類型：穿通 (PT)型、 非穿通 (NPT)型、軟穿通 (SPT)型、溝漕型和電場截止 (FS)型。很長一段時 間內，耐壓水平限于 1200V～ 1700V，經(jīng)過長時間的探索研究和改進，現(xiàn)在 IGBT 的電壓、電流額定值已分別達到 3300V/1200A和 4500V/1800A，高壓 IGBT 單片耐壓已達到 6500V，一般 IGBT 的工作頻率上限為 20kHz～ 40kHz，基于穿通 (PT)型結構應用新技術制造的 IGBT，可工作于 150kHz(硬開關 )和 300kHz(軟開關 )。工作電壓 600V～ 800V，通態(tài) 電阻 幾乎降低了一個數(shù)量級，仍保持開關速度快的特點，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導體器件。 上世紀 90 年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子 模塊 (IPEM)技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。 自上世紀 80 年代開始，高頻化和軟開關技術的開發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。 40 多年來，開關電源技術有了飛迅發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導體器件、高頻化和軟開關技術、開關電源系統(tǒng)的集成技術三個發(fā)展階段。在便攜式器件中的許多功能要求一個降壓穩(wěn)壓器，更小的解決方案尺寸和更高的效率，這個開關電容穩(wěn)壓器解決方案正是一個理想的解決方案。 開關電容穩(wěn)壓器是種新興技術，它結合了開關電容器和 LDO 的主要特性，也就是將在 LiIon 范圍上的高效率和小尺寸結合到一個適用于便攜式應用的簡易解決方案中。我們可以看到在 ILOAD 變化的情況下紋波可以持續(xù)。一個 PWM架構的例子是 LM2771，圖 6 顯示出它的輸出紋波。這也被稱為預調制。在這種模式下，功率 FET 的電阻根據(jù) VOUT 和 ILOAD 進行控制。 比較新的 PWM調控模式處理了 PFM架構中的各種頻率和高輸出紋波。圖 5 顯示了 250mA 和 30mA 負載的輸出紋波。這個操作范圍上的頻率變化在一些便攜式應用中可能不大合適。使用 PFM控制模式的缺點是工作頻率取于 VIN 和 ILOAD ，因此變化不定。 PFM方案是一個更傳統(tǒng)的方法，其缺陷在最近的 PWM類架構中被列出來。通過調制輸出阻抗，我們便可以利用轉換器對既定負載進行降壓。 要利用一個開關電容穩(wěn)壓器來調節(jié)輸出電壓，我們可以使用脈沖頻率調制 (PFM)或脈沖寬度調制 (PWM)。這就限制了在既定的裸片尺寸下，開關電容穩(wěn)壓器的輸出電流性能。一個開關電容穩(wěn)壓器在芯片上可能有一個到 2 個功率 FET。在不同的增益之間具有一個共同相位以便在增益間達到完美躍遷。 CIN 和 COUT已被刪除以達到簡化目的。圖 3 顯示出 2/3, 1/2 和 1 增益的不同配置。 CFLY 的數(shù)量通常比 COUT 少。除了快速電容 (CFLY) ，我們還需要一個輸入電容器 (CIN)，和一個輸出電容器 (COUT)，輸入電容器 (CIN)指示出電壓紋波，而輸出電容器 (COUT)控制輸出電壓紋波。上述的增益可以通過兩個外部電容器或快速電容器 (CFLY)來取得。假設最大負載僅表現(xiàn)為時間的 20%到 30%(微處理器的情況 )，那么在感應開關和開關電容穩(wěn)壓器間的運行時間上的差別是可以忽略的。然而，由于 Liion 電池的自身特性，根據(jù)時間權重效率或者 “需要多長時間才能讓 Liion 充分放電？ ”來進行比較會更加有用。根據(jù)電感器種類，一個典型的開關穩(wěn)壓器大約具有8890%的效率。這就帶來了在 Liion 范圍上 ( )80%的效率。開關電容器 (SC)穩(wěn)壓器則有三個不同的電壓增益 (2/3， 1/2 和 1/3)。開關電容器并具有離散增益步驟，由 VOUT/(增益 *VIN)與離散增益來決定效率的高低。圖 2 顯示了一個開關電容器降壓穩(wěn)壓器，一個 LDO 及一個開關電容器的效率曲線。 隨 著 VIN 的增長，由轉換器產(chǎn)生的 VIN 和 VOUT 間的增量增長引起功率消耗的增長和效率的下降。如果要求的電壓 (VOUT)是 ，那么功耗僅為 300mV與負載電流的乘積。 由于具有電壓增益的關系，一個開關電容穩(wěn)壓器是比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，這個電壓增益是通過在雙相位 (充電相位和傳輸相位 )中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率。換句話說， LDO 作為一個降壓轉換器在這個例子中僅產(chǎn)生 42%的效率。把電池電壓 與一個 LDO 相連接可為微處理器產(chǎn)生一個穩(wěn)定和小的電流，但是功耗是相當顯著的。我們可以看到顯示出來的開關電容器的解決方案尺寸大約為 45mm2，當所要求的電壓與電池電壓相近的時候 LDO的工作效率是最高的，但當電壓的偏離值很遠時， LDO 效率就會很低。多數(shù)時候電源解決方案都不能提供較多的板上空間，一個開關轉換器就會有一個比 LDO 和開關電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。 從效率的角度看，一個開關穩(wěn)壓器就是最佳的選擇。越來越多應用都要求降壓轉換，如應用處理器、存儲器和 RF 塊設計都被列在其中。 ? 拓樸技術通過被動元件的更小值來達到更低的噪聲。 解決方案： ? 雙相位中的堆疊 電容 器和并行電容 器提高效率。 ? 提高降壓轉換器效率的方法。隨著各國電磁兼容性標準的加強，電磁兼容性設計在開關電源設計過程中的位置也愈加重要，因此，必須充分重視電磁兼容性設計的作用和重要性。 結語 如今，開關電源體積越來越小，功率密度越來越大， EMl/EMC 問題成為了開關電源穩(wěn)定性的一個關鍵因 素，也是最容易忽視的一個方面。 試驗結果 經(jīng)過以上電磁兼容性設計，開關電源的輸出電壓調整率 △ V0/V0=％，達到了預期設計要求。 (4)有脈沖電路流 過的區(qū)域遠離輸出端子，使噪聲源于直流輸出部分分離；交流輸入部分盡量遠離輸出部分，以避免由于相互間靠得太近，通過線路間的耦合，將原本 “干凈 ”的輸出由于受到輸入部分的電磁騷擾發(fā)射而受 “污染 ”。因為，這部分電路是開關電源中最敏感的部分。 (2)盡可能地縮小高頻大電流電路所包圍的面積，縮短高電壓元器件的連線，設法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾，特別是易受干擾的元器件不能彼此靠得很近。 (1)把交流的輸入濾波部分，高壓整流和濾波部分，高頻逆變部分，低壓整流輸出部分從左到右依次排列布局，使信號方向保持一致，便于生產(chǎn)中檢修、調試，并且可以減少信號的環(huán)路，使印制電路板的平 面與磁力線相平行，這樣交變磁場就不會切割印制電路板平面內的導線，減少電磁干擾。 e PCB 元件布局及走線 開關 電源的印制 電路板 設計也是解決開關電源電磁兼容性問題的一個至關重要的方面。另外，地線盡量鋪 寬，對空白區(qū)域可敷銅填滿，力求盡量降低地電平誤差和 EMI。控制信號的地電平誤差應盡可能的小，因此，采用控制部分一點接地，然后將公共連接點再單點接至功率地。安規(guī)上一般要求散熱器接地，