電源技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：電源技術(shù)范文

作者：張亞婷 丑修建 郭濤 熊繼軍 單位：中北大學(xué)

近年來，為了探索新型的使用壽命長、能量密度高的微能源，國內(nèi)外學(xué)者開始收集人體、聲音、道路、高層建筑等周圍環(huán)境中的振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)微納機(jī)電系統(tǒng)的自我供能，這將有望解決能源微型化過程中電池體積大、一次性使用壽命短、能量密度小等問題。靜電式微能源目前，T．Sterken等人［5］提出的靜電式發(fā)電機(jī)采用靜電梳齒結(jié)構(gòu)和MEMS工藝，在150V的激勵(lì)下、振動(dòng)頻率為1020Hz的環(huán)境中，獲得1μW功率輸出；在3750Hz下得到16μW功率。美國Berkeley大學(xué)S．Roundy等人［6］研制出的靜電式發(fā)電機(jī)采集120Hz的低頻振動(dòng)（圖略），采用變間距式改變電容，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)變間距式的結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢，當(dāng)在120Hz，2．25m／s2的加速度振動(dòng)下，輸出功率密度達(dá)116μW／cm2。（圖略）為變面積式結(jié)構(gòu)。Y．Chiu等人［7］提出了一種靜電式微能源，利用鎢球調(diào)節(jié)裝置的固有頻率，整合機(jī)械開關(guān)被安放在換能器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)同步能量轉(zhuǎn)換。東京大學(xué)T．Tsutsumino等人［8］提出了一種靜電式發(fā)電機(jī)，其利用高性能的有機(jī)膜全氟樹脂（CYTOP）作為駐極體材料來提供電荷，加載20Hz振動(dòng)，振動(dòng)幅度的峰峰值為1mm，最大輸出功率達(dá)6．4μW。電磁式微能源目前在電磁能量轉(zhuǎn)換研究方面工作較突出的是英國Southampton大學(xué)，從2004年開始采用硅微加工技術(shù)制作了微型電磁式振動(dòng)能量采集器，在1．615kHz的振動(dòng)頻率下，輸入加速度為0．4g時(shí)，其產(chǎn)生的最大輸出功率為104nW［9］；此外還提出了一種發(fā)電機(jī)在9．5kHz，1．92m／s2加速度振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下，獲得21nW的電能［10］。D．Spreemann等人［11］設(shè)計(jì)了一個(gè)雙自由度電磁式能量采集器，中心轉(zhuǎn)子帶動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng)，使磁通量產(chǎn)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，克服了單自由度能量采集器固有頻率的限制，適用于實(shí)際環(huán)境中的振動(dòng)。在低頻環(huán)境中30～80Hz，可得到3mW的功率。H．Kulah等人［12］提出了一種鐵圈同振型發(fā)電機(jī)，通過一個(gè)電磁式頻率放大器將低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻振動(dòng)，而輸出功率與振動(dòng)頻率的三次方成正比，從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。P．H．Wang等人［13］提出了一種銅平面彈簧式結(jié)構(gòu)，為了獲得更低的固有頻率，測試結(jié)果顯示在121．25Hz頻率和1．5g的加速度下，開路電壓為60mV。以上研究初步達(dá)到了電磁發(fā)電單獨(dú)供能的目的，但在提高電源的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，以及輸出能量收集與控制方面仍需要進(jìn)行大量的研究工作。

壓電式微能源為了在低頻低強(qiáng)度的普通環(huán)境中提高轉(zhuǎn)換效率，大多數(shù)研究對(duì)微能源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。S．Roundy等人［14］制作的矩形單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電機(jī)在120Hz、加速度為2．5m／s2下，產(chǎn)生25μW／cm2的能量。D．Shen等人［15］研制的低頻（183．8Hz）能量采集器，采用單矩形懸臂梁－質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，體積僅為0．769cm3，輸出平均能量為0．32μW，能量密度為41．625μW／cm2。E．K．Reilly等人［16］研究了矩形、梯形、螺旋形等不同結(jié)構(gòu)的壓電懸臂梁。研究表明，螺旋形結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力最大，可產(chǎn)生較大的形變，輸出較高的電能，梯形結(jié)構(gòu)次之。但是由于矩形結(jié)構(gòu)加工簡單，故被廣泛應(yīng)用。2010年，G．Zhu等人［17］收集說話聲音，采用豎直結(jié)構(gòu)的ZnO納米線陣列代替常用的PZT壓電材料制成了納米發(fā)生器，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在－100dB強(qiáng)度的聲波振動(dòng)下，輸出峰值為50mV的交流電壓。近年來國內(nèi)吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)等［18－20］也開展了關(guān)于壓電振子發(fā)電的微能源研究工作，并在壓電微能源應(yīng)用研制方面取得了一定的研究成果。通常環(huán)境下振動(dòng)分布在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)，如果微能源帶寬過窄，則不能滿足實(shí)際需求。目前的頻帶擴(kuò)展方法主要有陣列式［21－22］、多梁－多質(zhì)量塊系統(tǒng)［23］以及頻率可調(diào)式［24－25］。陣列式是通過具有不同固有頻率的單懸臂梁－單質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)頻帶擴(kuò)展，即使振動(dòng)頻率改變，某些頻率的懸臂梁也會(huì)處于工作狀態(tài)；多梁－多質(zhì)量塊系統(tǒng)是通過使結(jié)構(gòu)某兩階頻率接近來實(shí)現(xiàn)頻帶擴(kuò)展；頻率可調(diào)式分為主動(dòng)調(diào)頻和被動(dòng)調(diào)頻。主動(dòng)調(diào)頻需要調(diào)頻器，而調(diào)頻器耗能大于產(chǎn)生的能量，故不可行；被動(dòng)調(diào)頻需要激勵(lì)和傳感器，這提高了復(fù)雜性和成本。2006年，M．Ferrari等人［26］提出了一種多頻能量轉(zhuǎn)換器，覆蓋100～300Hz波段；2007年A．IbrahimSari等人［27］采用不同長度懸臂梁陣列式結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了微型發(fā)電機(jī)的帶寬，在4．2～5kHz的振動(dòng)頻率下，產(chǎn)生4μW的能量，覆蓋800Hz的波段。上海交通大學(xué)的馬華安等人［28］采用永磁鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)量塊，并且在質(zhì)量塊的上方和下方也放置了不同極性的永磁鐵，通過吸引力和排斥力來調(diào)整壓電懸臂梁的固有頻率，固有頻率范圍拓寬為80～100Hz。電能采集、存儲(chǔ)電路微小能量的采集、存儲(chǔ)也是微能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，否則振動(dòng)產(chǎn)生的微電壓并無實(shí)用價(jià)值。能量采集存儲(chǔ)電路主要包括整流電路、升壓電路和存儲(chǔ)電路。對(duì)于此部分的研究已經(jīng)較為成熟，但大部分都是基于經(jīng)典的分立器件所搭建而成，具有靜態(tài)電流高、采集存儲(chǔ)效率低的特點(diǎn)。LINEAR公司［29］新推出了一款專門面向能量收集的集成芯片LTC3588，它內(nèi)部集成了AC／DC、電荷泵以及電源管理模塊，可以直接采集微小交流電壓信號(hào)，持續(xù)輸出100mA的電流信號(hào)，且其靜態(tài)電流只需950nA。TI公司［30］在2011年底推出的BQ25504芯片，也同樣集成了采集存儲(chǔ)電路的幾個(gè)模塊，其靜態(tài)電流僅為330nA，可以將能量存儲(chǔ)在鋰電池、薄膜電池以及超級(jí)電容中，同時(shí)其良好的電源管理實(shí)現(xiàn)了充放電保護(hù)的功能，極大地提高了系統(tǒng)的集成度。它們都具有操作簡單、能量采集存儲(chǔ)效率高、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微能源系統(tǒng)。電能存儲(chǔ)的介質(zhì)選擇也是研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。沈輝［31］對(duì)超級(jí)電容、鎳氫電池和鋰電池的儲(chǔ)存電荷能力進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)電容器的充放電速度較快，可以迅速地回收產(chǎn)生的電能，同時(shí)其充電效率最高可達(dá)95％，并且充電次數(shù)理論上也可達(dá)無窮次；與之相反，電池的充電速度慢，不能立即使用回收的電能，同時(shí)其充電效率僅為92％（鋰電池）、69％（鎳氫電池），使用壽命為500～1000次，但其具有放電時(shí)間長、輸出電壓比較穩(wěn)定的特點(diǎn)。經(jīng)過一個(gè)月的自放電測試，超級(jí)電容自放電效率最高，剩余電量僅為65％，鎳氫電池為70％，鋰離子電池為95％。但是對(duì)于需要經(jīng)常充放電的場合，自放電可以忽略，超級(jí)電容憑借其可以無限次重復(fù)使用的特點(diǎn)，受到了科研人員的青睞。三種不同類型的微能源相比較，壓電式微能源有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成和微型化的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用到生活中。日本的研究員在東京火車站的地面上鋪上了四塊包含壓電發(fā)電裝置的地板，其可以顯示產(chǎn)生的能量，可為自動(dòng)檢票門提供能量［4］。以色列Innowattech公司［32］建立了第一條發(fā)電公路，用預(yù)制塊和環(huán)氧樹脂作保護(hù)，防止壓電晶體破損。英飛凌公司［33］推出了MEMS傳感器、MCU、RF、MEMS自供電電源四合一的新型TMPS。

電磁式微能源的設(shè)計(jì)僅在理論指導(dǎo)下進(jìn)行，對(duì)器件進(jìn)行仿真分析較少［34］，所以，難以得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)模型；壓電微能源的大部分研究都通過改變幾何結(jié)構(gòu)來降低共振頻率、優(yōu)化電路以提高能量轉(zhuǎn)換效率，而對(duì)于研究新型的壓電材料來提高系統(tǒng)性能的研究相對(duì)較少；由于MEMS的微加工、微裝配與封裝技術(shù)處于發(fā)展階段，使得振動(dòng)式微能源不能按照設(shè)計(jì)要求達(dá)到精確制作與裝配，從而難以得到理想結(jié)果。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源技術(shù)存在以下應(yīng)用方面的問題：實(shí)際生活環(huán)境中振動(dòng)頻率范圍比較寬，從十幾赫茲到幾百赫茲，至今沒有提出有效調(diào)節(jié)頻率的方法。因此，有人提出使用非線性振動(dòng)模型來研究微能源［35］，但目前，這方面的研究還很少。儲(chǔ)存電能的介質(zhì)需要做進(jìn)一步研究，特別是超級(jí)電容，其放電速度快、輸出電壓不是很穩(wěn)定的特性需要改進(jìn)。理論上微能源具有壽命較長的優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中振動(dòng)加速度和頻率對(duì)微能源壽命有很大的影響。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源已成為各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。目前，電磁式、壓電式微能源的研究相對(duì)較多，但是為了提高其性能指標(biāo)，從而更快應(yīng)用到實(shí)際中，振動(dòng)式微能源的結(jié)構(gòu)還在不斷得到改進(jìn)、優(yōu)化，并且提出新的結(jié)構(gòu)模型。而靜電式微能源由于需要外部電源，限制了其應(yīng)用，因而研究相對(duì)較少。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源技術(shù)向低頻、多頻、寬頻、非線性振動(dòng)模型、復(fù)合微能源發(fā)展［36－37］。同時(shí)，將幾種不同轉(zhuǎn)換形式的微能源集成在同一芯片上，可以綜合不同原理微能源的優(yōu)點(diǎn)，提高能量密度，這些都是微型化和實(shí)用化的關(guān)鍵。振動(dòng)驅(qū)動(dòng)微能源有望為野外和置入結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)提供高可靠、長時(shí)間的電能，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和便攜式微電子產(chǎn)品提供充足的電源，所以研究振動(dòng)式微能源有重要的實(shí)用意義。

第2篇：電源技術(shù)范文

1.電力電子技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。

1.1整流器時(shí)代

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。

1.2逆變器時(shí)代

七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

1.3變頻器時(shí)代

進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實(shí)現(xiàn)小型輕量化,機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1計(jì)算機(jī)高效率綠色電源

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關(guān)電源

通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機(jī)電源

高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。

逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。

由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源

大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。

國內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。

2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。

八十年代初期,對(duì)分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。

3.1高頻化

理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機(jī)的體積,更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機(jī)體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。

3.3數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在

六、七十年代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在

八、九十年代,對(duì)于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識(shí),但是對(duì)于智能化的開關(guān)電源,需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí),數(shù)字化技術(shù)就離不開了。

3.4綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

第3篇：電源技術(shù)范文

1．1問題的提出

80PLUS是一項(xiàng)針對(duì)電源所做的新標(biāo)準(zhǔn)，它的核心是加載主動(dòng)式PFC電路模塊用于提升計(jì)算機(jī)設(shè)備的使用效率。保證電源設(shè)備在22%、48%，以及滿載時(shí)有大于84%的轉(zhuǎn)換效率。簡單的說，就是在不同的負(fù)載程度，能夠減少多余電能轉(zhuǎn)換成的廢熱，來降低電源的使用成本。在中國這筆費(fèi)用是由各個(gè)電源生產(chǎn)商向國家節(jié)能減排部門進(jìn)行申報(bào)后獲得的。該標(biāo)準(zhǔn)最早是由美國能源局制定的效率標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)桌面型臺(tái)式機(jī)、高性能刀片服務(wù)器及工作站所制定的節(jié)能規(guī)范，希望借此來提高計(jì)算機(jī)內(nèi)部電源設(shè)備的效率與功率因數(shù)比值，減少EMI諧波危害，降低設(shè)備的發(fā)熱量，以達(dá)到節(jié)能目的。圖1顯示轉(zhuǎn)換效率從低到高分別是80PLUS的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn):白牌(標(biāo)準(zhǔn)版)、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金從上到下依次提升。PFC效率因子數(shù)值越高表示這臺(tái)電源越優(yōu)秀。相比普通的被動(dòng)PFC電源，80PLUS標(biāo)準(zhǔn)有許多優(yōu)點(diǎn)。

1．2主動(dòng)PFC電路設(shè)計(jì)能夠延長的使用壽命

圖2顯示了被動(dòng)PFC電源的熱功耗模式，根據(jù)功率校正決定電源適配器轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵在于能將百分比之多少的輸入轉(zhuǎn)換為輸出，由于剩下的電能會(huì)轉(zhuǎn)換成廢熱。廢熱的產(chǎn)生會(huì)增加很大的電源噪音，而風(fēng)扇需以高轉(zhuǎn)速來帶走廢熱，來保證電源內(nèi)部不會(huì)過熱觸發(fā)報(bào)警裝置。目前我們所使用的電源風(fēng)扇都是普通油封軸承，這種軸承的好處就是成本低，便于大面積使用。缺點(diǎn)是壽命短，油一旦消耗完后會(huì)產(chǎn)生巨大的摩擦噪音。因此，減少廢熱、保持低散熱需求的好處即是增加電腦電源的耐用度。

1．3主動(dòng)PFC電路設(shè)計(jì)能夠減少熱輻射功耗

例如，一個(gè)轉(zhuǎn)換效率65%的額定600瓦的電源設(shè)備，在100%負(fù)載時(shí)會(huì)消耗600瓦的電力，剩下的180瓦則會(huì)轉(zhuǎn)換成多余的熱能。如果該電源供應(yīng)器轉(zhuǎn)換效率為80%，在90%負(fù)載時(shí)只需要540瓦的電力供應(yīng)，那么就只有60瓦的電力轉(zhuǎn)換成熱能。所以如何減少這些熱能非常重要，由于目前科學(xué)技術(shù)的限制，人類還無法去收集這些多余熱能進(jìn)行儲(chǔ)存。因此，減少這些無用的電子消耗顯得非常重要。采用溫控裝置的電源風(fēng)扇就不必在高轉(zhuǎn)數(shù)情況下進(jìn)行工作，這將有效的降低電源噪音和電源內(nèi)部的發(fā)熱量。讓電源內(nèi)部的元器件保持在正常溫度系數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行工作。

2主動(dòng)PFC技術(shù)的實(shí)用價(jià)值

2．1有源PFC電路模塊的重要性

節(jié)能減排一直是很多單位關(guān)注的，80PLUS電源能夠做到為機(jī)房節(jié)能。這得益于80PLUS標(biāo)準(zhǔn)電源的高功率因數(shù)(PFC值)。PFC的全英文名為“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因數(shù)調(diào)整值”，用來表示有效功率與總耗電量(視為額定功率)之間的比值。電網(wǎng)供給電源的能量并不能100%被電源所利用，在電源和電網(wǎng)之間會(huì)存在不小的電能損失部分。這個(gè)時(shí)候PFC就誕生了，目前的PFC電源分為主動(dòng)式(active)和被動(dòng)式(pas-sive)兩種。被動(dòng)PFC電路的功率因數(shù)一般只有70－78%，有的甚至連70%都達(dá)不到。而且電源非常沉重，不利于運(yùn)輸。而主動(dòng)PFC的功率因素通常保持在90%以上，甚至達(dá)到95%。由于不需要龐大的電感，因此重量得到了大幅度的減輕。

2．2寬頻電壓輸出

主動(dòng)PFC還有另外一項(xiàng)重要的附加價(jià)值，即它可以適應(yīng)90Vdc－260Vdc的全范圍電壓，可以全球通用，特別是對(duì)于電壓不穩(wěn)的地區(qū)有重要的使用價(jià)值。在我國的貧困地區(qū)，及地震災(zāi)區(qū)，當(dāng)?shù)仉娏Σ块T無法保障220V穩(wěn)定電壓的環(huán)境下，使用主動(dòng)PFC的設(shè)備能夠有效緩解電力異常波動(dòng)造成的瞬時(shí)斷電設(shè)備重啟問題。在邊遠(yuǎn)地區(qū)使用主動(dòng)PFC設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)能夠有效保障學(xué)校、醫(yī)院重要部門的不間斷運(yùn)作。

2．3單位耗電量的下降

注意:為了滿足能源之心(ENERGYSTAR)的規(guī)范指標(biāo)以及國家降低碳排放的強(qiáng)制要求，即功率因數(shù)越大，對(duì)節(jié)約電力能源越有好處。主動(dòng)PFC電源為了保證更高的轉(zhuǎn)換效率，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與用料上，都較傳統(tǒng)電源要復(fù)雜和考究得多，這帶來了生產(chǎn)成本的上升。但考慮到在工業(yè)用電方面的開支減少，特別是現(xiàn)在很多大學(xué)機(jī)房機(jī)器數(shù)量都在數(shù)千臺(tái)以上，是一些專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，常年24小時(shí)開機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)。如果按照一年一臺(tái)PC即可節(jié)省200元人民幣，這筆費(fèi)用擴(kuò)建機(jī)房升級(jí)設(shè)備都綽綽有余，從長遠(yuǎn)利益來看，未來終端用戶應(yīng)該多考慮帶有主動(dòng)PFC模塊的電源。

3主動(dòng)PFC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

圖3顯示的為PFC升壓預(yù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成，這里需要安置一個(gè)線圈，通過一個(gè)二極管和一個(gè)PF開關(guān)。藍(lán)色箭頭所指的波形電感需要一枚加載PFC預(yù)調(diào)節(jié)器而設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正控制器電路。這里我們使用ONSEMI半導(dǎo)體(MC33368和MC33260)，均工作在臨界導(dǎo)電模式中，而NCP1650則工作于連續(xù)導(dǎo)電模式。通常將臨界導(dǎo)電模式用于300W以下的功率因數(shù)控制電路。而CCM連續(xù)導(dǎo)通模式用于400W以上的功率因子電路模塊。隨著機(jī)房在教學(xué)上開設(shè)了matlab，大型數(shù)據(jù)庫等課程，這些課程對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求非常高，特別是大數(shù)據(jù)運(yùn)算這樣的模型搭建。為了滿足這些設(shè)施要求，必須使用額定功率在400W以上的電源才能滿足需求。CCM電路拓?fù)渚褪菫榱送ㄟ^80PLUS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，一般采用正激拓?fù)?又分為單端正激拓?fù)浜碗p管正激拓?fù)?較之前機(jī)房所使用的被動(dòng)PFC普通電源，通常采用半橋拓?fù)?。半橋拓?fù)渚捎萌龢O管做主開關(guān)管，正激拓?fù)洳捎肕OS管進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗均遠(yuǎn)大于MOS管。而且這類電源非常笨重。因此，半橋拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換效率一般剛剛能夠突破70%，而雙管正激拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換效率基本都能接近80%，設(shè)計(jì)和用料較好的就能達(dá)到85%以上。雙管正激拓?fù)湎鄬?duì)于半橋拓?fù)涞牧硪粋€(gè)優(yōu)勢就是紋波要小得多(由其工作原理所決定)。開關(guān)電源的輸出電壓會(huì)有一些不規(guī)則的小幅波動(dòng)，波動(dòng)幅值范圍一般是幾十毫伏，稱為紋波。紋波干擾在機(jī)房是非常普遍的一種電磁干擾，特別是機(jī)房其它的非兼容設(shè)備比較多的情況下。會(huì)造成液晶顯示器摩爾紋的顯示故障。這種故障會(huì)影響顯示器使用者的體驗(yàn)感受。從另外一個(gè)方面來說，計(jì)算機(jī)的板載芯片對(duì)紋波有一定的耐受能力，但這樣的范圍是非常有限的，這將會(huì)導(dǎo)致聲卡的模擬放大電路會(huì)受紋波影響導(dǎo)致音質(zhì)失真。特別是語音室對(duì)雜音過濾的要求非常的高，而正激拓?fù)涞募y波更小，即電源輸出的電壓更平穩(wěn)，電流更純凈，從而延長各部件的使用壽命，更可以減少令人頭疼的EMI電磁干擾問題。

4改造主動(dòng)PFC電源負(fù)載性能測定試驗(yàn)環(huán)境

INTELXEONE－1230v316GAPACERDDR31866×28×2TRAID0磁盤陣列。額定600W電源運(yùn)行測試國際象棋算法及圖形4D渲染。電路板在滿負(fù)載、低電壓線路下工作30分鐘后進(jìn)行測量。所有測量是在沒有中斷的情況下連續(xù)進(jìn)行的。采用HP34401A萬用表在測試端直接測量。輸入功率根據(jù)如下公式計(jì)算:Pin(avg)=Vin(rms)•Iin(rms)•PF機(jī)箱蓋板打開、側(cè)板無12cm風(fēng)扇、僅使用slient模式CPU風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4600W額定電源測試的轉(zhuǎn)換效率這些結(jié)果是在一種相對(duì)高頻的應(yīng)用中獲得的，軌跡線顯示了線電壓在不同負(fù)載時(shí)的效率，以中國境內(nèi)230V電壓標(biāo)準(zhǔn)，效率始終高于95%。100%負(fù)載下轉(zhuǎn)換效率略有下降，且此時(shí)電源發(fā)熱量會(huì)非常大，但相比于被動(dòng)式PFC的電源來說，這樣的發(fā)熱量已經(jīng)減少了很多。

5結(jié)語

第4篇：電源技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源的電磁干擾 抑制技術(shù)

中圖分類號(hào)： TL62+9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

前言

開關(guān)電源是目前電子設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的一種電源裝置，具有功耗低、效率高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器等系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)安全性和可靠性的高低。

一、開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

1 二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di／dt)。

2 開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾

一般情況下，功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)，都會(huì)流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時(shí)，這種諧波干擾將會(huì)很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。

3 交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時(shí)，都會(huì)在空間產(chǎn)生電場和磁場，這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。

4 其他原因

元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。

在電力電子系統(tǒng)中，主要的干擾源是功率變換部分和變壓器部分(DC／DC部分)；盡管噪聲頻譜很寬，但主要分布在低頻段。功率變換部分和控制模塊一般都安裝在同一個(gè)PCB上。前者在多數(shù)情況下都是干擾源；后者則屬于弱電部分，是敏感設(shè)備。PCB走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，因而增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計(jì)的難度，因而控制模塊可能會(huì)受到干擾而不能正常工作。

5 開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)

作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高(從幾十千赫茲到數(shù)兆赫茲)，主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾。

二、開關(guān)電源工作時(shí)的噪聲源及抑制

1開關(guān)電源工作時(shí)的噪聲源

產(chǎn)生噪聲的來源很多, 如外來干擾、機(jī)械振動(dòng)、電路設(shè)計(jì)不當(dāng)、元件選擇不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)布局

或布線不合理造成的電源噪聲增大等。 在開關(guān)穩(wěn)壓器中, 功率三極管和二極管在開-關(guān)翻轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的射頻能量已成為噪聲的主要來源之一。 由于頻率較高, 它以電磁能的形式直接向空間輻射, 或以干擾電流的形式沿著輸入、輸出端的導(dǎo)線傳送。 開關(guān)電源工作時(shí)所產(chǎn)生的高次諧波竄入公用電網(wǎng), 對(duì)使用公用電源的其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾, 同時(shí)其本身也受到來自公用電網(wǎng)及空間的EMI 信號(hào)的干擾。

2噪聲源的抑制

（1）采用無源濾波器

抑制高次諧波電流噪聲最簡單的方法是在電源的輸入部分附加扼流圈。 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是增加元件數(shù)量少、可靠性高且成本低廉, 但因附加扼流圈而使體積增大。 對(duì)EMI 信號(hào)的抑制可用EMI 濾波器。 EMI 濾波器包括電源EMI 濾波器、信號(hào)線EMI 濾波器、損耗線EMI 濾波器、印刷電路板EMI 濾波器等。它是由正態(tài)電感器和共模電感器組合而成的。 前半部是正態(tài)電感器, 其作用是抑制高次諧波; 后半部是由共模電感器和電容構(gòu)成的EMI 濾波器, 抑制EMI 信號(hào)。 共模電感器L1、L2 是繞在磁環(huán)上的兩只獨(dú)立線圈, 線圈匝數(shù)相同, 繞向相反, 致使濾波器接入電路后, 兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消, 不會(huì)使磁環(huán)達(dá)到磁飽和狀態(tài), 從而使兩只線圈的電感值保持不變。 磁環(huán)的另一個(gè)作用是對(duì)有用信號(hào)( 基帶信號(hào)) 相當(dāng)于短路不產(chǎn)生任何影響, 專門吸收調(diào)頻干擾信號(hào)能量, 可提高抗干擾能力和靜電放電( ESD) 干擾能力。 但是, 由于種種原因, 如磁環(huán)的材料不可能做到絕對(duì)均勻, 兩只線圈的繞組也不可能完全對(duì)稱, 使L1、L2 的電感量不相等, 于是L1、L2 之間存在電感量差值, 稱之為差模電感。 共模線圈和Cx 組成L- N 獨(dú)立端口間的一只低通濾波器, 用來抑制電源上存在的差模信號(hào)。 如果在相線和中線的共模干擾電平不相等, 在Cx 電容器上就會(huì)出現(xiàn)共模電流, 在Cx 電容上引起共模壓降, 進(jìn)一步降低共模干擾電平。

（2）采用有源濾波器

采用有源濾波器能使用較小容量的濾波電容來達(dá)到較好的濾波效果。 圖2 所示電路是一種有源濾波器電路。 它是利用晶體管的電流放大作用, 通過把發(fā)射極的電流折合到基極, 在基極回路來濾波。 R1、C2 組成的濾波器使基極紋波很小, 這樣射極紋波也很小。 由于C2 的容量小于C3, 減少了電容的體積。 這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。

（3）采用雙變換器方式

在開關(guān)電源中采用雙變換器方式進(jìn)行高次諧波抑制是目前常用的方法。 所謂雙變換器方式, 利用前級(jí)的升( 降) 壓斬波器, 在輸入電流波形正弦波化后, 由PFC 電路對(duì)其功率因素進(jìn)行改善控制, 同時(shí)利用后級(jí)的DC- DC 變換器進(jìn)行輸出穩(wěn)定化控制。 實(shí)質(zhì)上, 變換器起到有源濾波器的作用。 這種方式尤其適合高壓大功率電源的情況。

（4）采用零電壓開關(guān)、零電流開關(guān)電路

采用零電壓、零電流開關(guān)技術(shù)可以使高次諧波抑制和EMI 信號(hào)抑制能力得到很大的提高。開關(guān)電源在開關(guān)工作時(shí), 由于儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)存及釋放電能是造成電磁干擾的關(guān)鍵原因, 因此, 如果能實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 就可以有效地抑制干擾。 零電壓、零電流開關(guān)技術(shù)是目前抑制開關(guān)電源干擾的一種最新技術(shù)。 它分為軟開關(guān)啟動(dòng)技術(shù)和串聯(lián)諧振變換技術(shù)。

軟開關(guān)啟動(dòng)技術(shù): 開關(guān)電源的輸入通常是由交流電網(wǎng)供電, 經(jīng)整流濾波產(chǎn)生輸出。 由于電壓高、電容量較大, 在電源合閘瞬間將產(chǎn)生很大的充電電流, 其最大峰值電流可達(dá)穩(wěn)定值的幾十倍。 這種沖擊電流后果會(huì)給輸入電網(wǎng)造成很高幅度的尖峰干擾。 軟啟動(dòng)技術(shù)是在輸入回路中接入限流電阻, 待啟動(dòng)完成后再將串接電阻短路。

串聯(lián)諧振變換技術(shù): 由于開關(guān)電源通常采用PWM( 脈沖寬度調(diào)制) 方式, 這種方式的主要問題是元件進(jìn)行接通和斷開時(shí), 會(huì)產(chǎn)生電磁干擾、浪涌電壓及開關(guān)損耗。 所謂諧振方式是指在開關(guān)電路中設(shè)置由電感和電容構(gòu)成的諧振電路, 使電路的電壓或者電流諧振, 并當(dāng)其電壓或電流變?yōu)榱銜r(shí), 使主電路開關(guān)接通或者斷開。 即當(dāng)開關(guān)元件之間的電壓為零時(shí), 施加接通信號(hào), 并使斷開時(shí)的電壓為零伏, 即實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān), 使開關(guān)的電流上升緩緩變化, 實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。 采用集成電路UC1864 或UC1865 便可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)。

（5）其他技術(shù)

在開關(guān)電源中, 抑制EMI 信號(hào)和高次諧波的方式還有許多, 如元件在電路板上的布放方法、尺寸、位置, 采用簡化電路程式; 在變換器上設(shè)置第三繞組; 簡化PFC 電路、減少開關(guān)器件數(shù)量; 采用保護(hù)電路, 當(dāng)浪涌電壓進(jìn)入時(shí), 禁止大電流流過開關(guān)器件等。

結(jié)束語

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展及半導(dǎo)體功率變換器件性能的不斷提高，開關(guān)電源技術(shù)越來越成熟，價(jià)格也逐步接近傳統(tǒng)的線性電源，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 王敬斌。開關(guān)電源的電磁干擾及抑制技術(shù)[J]. 廣東輸電與變電技術(shù). 2009(03)

第5篇：電源技術(shù)范文

本文探討電子產(chǎn)品中的能量損耗并探討用于減少能量損耗的技術(shù)。如果廣泛應(yīng)用這些技術(shù)，潛在的能源支出將節(jié)省達(dá)到每年600億美元。如果你是電源電子產(chǎn)業(yè)的專才，這就是你躋身“綠領(lǐng)”的機(jī)會(huì)。一些實(shí)據(jù)　如今，美國每年的碳排放量是27.5億噸。如果延續(xù)當(dāng)前的軌跡，到2050年將增加超過40％。這排放的一大來源便是烘烤和烹調(diào)系統(tǒng)、照明、電器和電子設(shè)備中所使用的電力。電源電子工程師在保護(hù)地球?qū)氋F的資源中能夠發(fā)揮重要的作用。下面是一個(gè)簡要分析。

1　美國所有電力應(yīng)用中的6％～10％是在電源從交流(AC)轉(zhuǎn)換到直流(DC)。

2　由于現(xiàn)有電源效率欠佳，美國所有電力消耗的3％～4％是在電源內(nèi)部消耗的。

3　以更好的設(shè)計(jì)、使用IC控制器、場效應(yīng)管(FET)和二極管等最新的電子元器件來增加電源的效率，能節(jié)省美國所有電力消耗的1％～2％，也就是每年30～60億美元的節(jié)省潛能。

上述分析提供了電源轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì)的寬泛估計(jì)，但缺乏必要的詳細(xì)數(shù)據(jù)，那么，就讓我們研究得更深一點(diǎn)……

住宅用電部分

美國每年的住宅電能消耗總量達(dá)13000億kWh。其中，17％來自“插頭負(fù)載(plug load)”，耗電量達(dá)到2210億kWh。這部分的電能消耗可劃分為占31.1％(687億kWh)的信息技術(shù)產(chǎn)品，占41.3％(913億kWh)娛樂產(chǎn)品，“其他”占27.6％(610億kWh)。圖1顯示了這種電能消耗劃分。

如果只計(jì)算IT和娛樂產(chǎn)品的話，其電能消耗就是1600億kWh。按照每0.1美元／kWh計(jì)算，每年的電能支出就是160億美元。將這些用電設(shè)備的效率提升20％(務(wù)實(shí)的目標(biāo))，就能夠節(jié)省32億美元，可與早前30～60億美元的數(shù)字相比，而后者還包含了商業(yè)用電部分。

商業(yè)用電部分

美國每年的商業(yè)部分電能消耗為12300億kWh，其中9％(1107億kWh)來自辦公設(shè)備。假設(shè)辦公設(shè)備的電能消耗能夠降低15％，潛在的電能節(jié)省達(dá)166億kWh，以0.10美元／kWh計(jì)算，就接近17億美元。

將不同部分的節(jié)省潛能相加

對(duì)于美國而言，如果提升常見電子產(chǎn)品的電源效率，結(jié)合住宅和商業(yè)用電部分能夠節(jié)省總額達(dá)49億美元的電能開支。更高效的產(chǎn)品工作模式設(shè)計(jì)所帶來的節(jié)省還能夠產(chǎn)生更多的效益。

功率是如何損耗的，針對(duì)功率損耗采取了什么措施

在電子設(shè)備，功率損耗分為兩部分，分別是待機(jī)損耗和工作損耗。待機(jī)損耗在設(shè)備(計(jì)算機(jī)、電池充電器、電視機(jī)等)關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)，這時(shí)設(shè)備仍在消耗功率；而工作損耗則是由通常在電源中的電源轉(zhuǎn)換階段的低效所導(dǎo)致。在家庭應(yīng)用中，待機(jī)損耗預(yù)計(jì)占到總損耗的25％，而工作損耗占余下的75％。

近年來，所做的很多工作都旨在提升公眾對(duì)電能節(jié)省的興趣，而世界各國政府啟動(dòng)了很多自愿性和強(qiáng)制性的項(xiàng)目來促進(jìn)更高效產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和電能更被善用。在美國，最成功的一個(gè)例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，這是一個(gè)自愿性項(xiàng)目，旨在推廣更高效的產(chǎn)品，并鼓勵(lì)消費(fèi)者來購買這些產(chǎn)品。“能源之星”項(xiàng)目的基本途徑是調(diào)查現(xiàn)有產(chǎn)品，并設(shè)定一個(gè)產(chǎn)品要獲得ENERGY STAR標(biāo)簽所必須符合的閾值，如圖2所示。

另外一個(gè)例子：80 PLUS計(jì)劃

如省略/網(wǎng)站上所述，“80 PLUS計(jì)劃是一個(gè)開創(chuàng)的平臺(tái)，聯(lián)合電力公用機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)者，在計(jì)算機(jī)和服務(wù)器應(yīng)用中，以突破性的方法來推廣高能效電源?！边@規(guī)范要求在滿載的20％、50％和80％下都具有80％或更高的電源效率，并具有0.9或更高的功率因數(shù)。這個(gè)計(jì)劃啟動(dòng)于2004年，由美國的Ecos Consulting管理。如今，超過450款臺(tái)式電腦電源已經(jīng)獲得80PLUS標(biāo)簽認(rèn)證。此后世界各地出現(xiàn)了越來越多的類似規(guī)范。

功率因數(shù)校正

除了低待機(jī)能耗和高工作效率，第三個(gè)要求――高功率因數(shù)，通常也非常重要，80 PLUS規(guī)范對(duì)此就有要求。在大多數(shù)國家，在連接至主電源的輸入功率為75W或更高的產(chǎn)品中需要低輸入電流諧波。在開關(guān)電源中，這個(gè)要求通常以增加功率因數(shù)校正(PrC)升壓預(yù)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。這種升壓預(yù)穩(wěn)壓器改變輸入電流，來匹配輸入電壓。這就將輸入諧波減到最少，并降低了輸入電流的均方根(rms)值。這就節(jié)省了電力公司生產(chǎn)無功功率的成本，并將電力基礎(chǔ)設(shè)施高昂的擴(kuò)展成本減到最小，為電網(wǎng)提供更大的電流。

電源電子設(shè)計(jì)人員面對(duì)的三重挑戰(zhàn)

在待機(jī)能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就構(gòu)成了當(dāng)今節(jié)能型電源轉(zhuǎn)換的景象。如今的電子產(chǎn)品包括電源的設(shè)計(jì)人員，必須洞悉這三項(xiàng)要求，并且隨時(shí)準(zhǔn)備在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⑵淇紤]在內(nèi)。僅就清楚這三項(xiàng)要求而言就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)槭澜绺鞯貒@這些要求的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)正不斷涌現(xiàn)。

為了符合這些不斷演進(jìn)的要求所面對(duì)的挑戰(zhàn)，電源管理制造商協(xié)會(huì)(PSMA)，省略，已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)交互式能量規(guī)范數(shù)據(jù)庫，方便電源設(shè)計(jì)人員快速地瀏覽不同地區(qū)、應(yīng)用、國家或機(jī)構(gòu)的規(guī)范。如今，隨著不同規(guī)范易于獲知，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)準(zhǔn)備好為拯救地球展開工作!

電源能效設(shè)計(jì)

第6篇：電源技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：自控系統(tǒng)；開關(guān)電源；冗余技術(shù)；監(jiān)控技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM761

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374（2012）20-0128-02

1　概述

中型線自控系統(tǒng)由于運(yùn)行時(shí)間長、運(yùn)行環(huán)境惡劣，系統(tǒng)面臨模板嚴(yán)重老化的問題，部分設(shè)備的使用年限已經(jīng)到期，隨時(shí)可能損壞，尤其是控制用的24V開關(guān)電源，連續(xù)出現(xiàn)故障，給生產(chǎn)維護(hù)帶來不利的影響。為解決這個(gè)難題，通過對(duì)原控制電源系統(tǒng)進(jìn)行了解剖分析，根據(jù)PLC系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需要，進(jìn)行開關(guān)電源冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行監(jiān)控，使其運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，能夠長時(shí)間地連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2　應(yīng)用的主要技術(shù)

2.1　冗余控制技術(shù)

經(jīng)過對(duì)原控制電源系統(tǒng)進(jìn)行解剖分析，了解供電系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，弄清楚了系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的方法。根據(jù)PLC系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需要，從可靠性、穩(wěn)定性方面進(jìn)行控制電源冗余系統(tǒng)開發(fā)，可靠性指其中一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)電源能立即投入，保證實(shí)現(xiàn)無縫切換；穩(wěn)定性指冗余系統(tǒng)中的每個(gè)電源系統(tǒng)都

能達(dá)到長時(shí)間的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，故障率低。

通過冗余控制，實(shí)現(xiàn)備用電源的無縫切換，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保證PLC系統(tǒng)的供電正常。通過大量的實(shí)驗(yàn)，測試冗余控制的自動(dòng)切換功能和實(shí)際的控制水平，達(dá)到預(yù)期的效果，滿足了要求，開關(guān)電源系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了冗余控制。

2.2　FIX 監(jiān)控技術(shù)

電源的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控軟件采用美國Intellution公司的FIX DMACS軟件（6.15版）。FIX軟件是一種工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，F(xiàn)IX提供了監(jiān)視、操作、歷史記錄、歷史/實(shí)時(shí)趨勢圖、報(bào)警和安全防護(hù)功能。FIX的I/O驅(qū)動(dòng)程序軟件從I/O設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳入驅(qū)動(dòng)程序映射表（DIT：Driver Image Table）的地址中。

掃描、報(bào)警、控制（SAC）程序從DIT中讀數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭^程數(shù)據(jù)庫中。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫訪問功能從本地或遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至請(qǐng)示的應(yīng)用程序中去，監(jiān)控功能非常完善，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場所有的控制電源運(yùn)行情況進(jìn)行了有效地監(jiān)控，在其出現(xiàn)故障時(shí)可以得到及時(shí)的反饋，根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，方便了

維護(hù)及故障的處理，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3　冗余控制及監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.1　冗余控制

圖 1 電源冗余系統(tǒng)圖

為了有效地消除上述這些情況對(duì)電源系統(tǒng)的不利影響，采用了以下的冗余控制方式，使用了兩個(gè)相同的直流電源控制，其中一個(gè)作為備用，每個(gè)電源通過大功率的整流二級(jí)管后，并聯(lián)輸出，在輸出側(cè)將繼電器連接到電源的正負(fù)極，引一對(duì)觸點(diǎn)到模板，作為電源正常信號(hào)，原理如圖1所示。

中型現(xiàn)場電氣室共有24對(duì)這樣的冗余電源控制系統(tǒng)，分布在近800米的控制室內(nèi)，因此常規(guī)的維護(hù)很不方便。通過上面的設(shè)計(jì)，我們對(duì)這些控制電源進(jìn)行了有效地畫面監(jiān)控，每個(gè)電源的輸出側(cè)都有一個(gè)繼電器線圈和24V的正負(fù)極相連，從每個(gè)繼電器引一對(duì)常開觸點(diǎn)到數(shù)字量輸入模板，作為該控制電源運(yùn)行正常的信號(hào)，通過控制程序及畫面的編制，將該信號(hào)點(diǎn)的狀態(tài)顯示做到畫面上顯示用于監(jiān)控。

3.2　優(yōu)化控制

由于系統(tǒng)控制設(shè)備較多，之前為了故障排查快速簡單，已經(jīng)對(duì)其控制電源進(jìn)行了改造，對(duì)每塊模板的供電電源正負(fù)端均增加了隔離保險(xiǎn)，減少了故障的連鎖反應(yīng)，降低了故障點(diǎn)。由于到現(xiàn)場的控制信號(hào)的公共線路設(shè)計(jì)時(shí)的原因，其公共端線路連接比較繁瑣，查找比較麻煩，當(dāng)時(shí)改造時(shí)沒來得及完全分開，現(xiàn)在公共端分得不徹底，導(dǎo)致故障查找比較費(fèi)時(shí)。針對(duì)現(xiàn)在的這種情況，進(jìn)行了多種改造。

3.2.1　剝離不使用設(shè)備的線路

現(xiàn)場控制系統(tǒng)運(yùn)行了十多年，有些設(shè)備經(jīng)過改造，已經(jīng)棄之不用，本打算線路以后可以作為備用，只在現(xiàn)場做了處理?，F(xiàn)在將這些設(shè)備的所有信號(hào)從控制中解除，以防由這些不用的設(shè)備引起不必要的故障。

3.2.2　多路等級(jí)電源公共線合一

控制系統(tǒng)的DC24V電源輸出端分別控制其相應(yīng)的設(shè)備，電源負(fù)端沒有進(jìn)行接地處理，這只有各自的正負(fù)端之間相對(duì)電源為DC24V，和其他的都是獨(dú)立并存，互不相干。如果有一個(gè)負(fù)端接地，就會(huì)引起故障。因此現(xiàn)在考慮將所有控制柜內(nèi)的24V電源負(fù)端都連接在一起，形成一個(gè)公用的負(fù)端，將各個(gè)的負(fù)端電勢拉平。如果有一路負(fù)端接地，就會(huì)有其他的負(fù)端將其電勢拉平，不會(huì)造成大的故障停機(jī)。

3.2.3　將公共線最小化分類

在控制系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)中，一塊24V電源所控制的設(shè)備是共負(fù)極的，公共端是并聯(lián)到中繼柜后到現(xiàn)場設(shè)備的，一旦出現(xiàn)電源負(fù)端接地，查找起來非常麻煩，要一個(gè)設(shè)備一個(gè)設(shè)備地排查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響了現(xiàn)場的生產(chǎn)。所以考慮將電源的負(fù)極盡量按最小化分類，多加幾路保險(xiǎn)，將公共端進(jìn)行分離，對(duì)不同的設(shè)備分開控制。這樣分開后，一是故障影響面比較小，一旦出現(xiàn)故障只能影響到其保險(xiǎn)下的有限設(shè)備，不會(huì)波及其他的設(shè)備；二是查找故障比較容易，可以根據(jù)保險(xiǎn)的熔斷情況直接查找其所帶的幾個(gè)設(shè)備就行，不會(huì)再和原來似的大海撈針。

3.3　故障監(jiān)控

本套故障診斷系統(tǒng)以東芝VTOOL編程軟件、IFIX監(jiān)控軟件為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了故障報(bào)警畫面、故障報(bào)警記錄和故障查詢?nèi)N診斷方式，它們相輔相成，并可隨著事件庫和經(jīng)驗(yàn)庫的完善而進(jìn)一步完善。

圖2 24V電源實(shí)時(shí)報(bào)警畫面

利用VTOOL軟件和IFIX軟件共同開發(fā)的實(shí)時(shí)報(bào)警畫面如圖2所示，在IFIX監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中添加電源故障信號(hào)的采集，畫面中的每一個(gè)小圖形都對(duì)應(yīng)了現(xiàn)場的一個(gè)信號(hào)，并作為數(shù)據(jù)庫中的一個(gè)點(diǎn)，設(shè)備的輸入、輸出情況由NV控制器進(jìn)行讀取，并通過以太網(wǎng)與IFIX中的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。當(dāng)某個(gè)電源異常時(shí)，相應(yīng)的繼電器線圈失電，常開觸點(diǎn)斷開，畫面上就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的聲光報(bào)警，根據(jù)報(bào)警點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，及時(shí)對(duì)該電源進(jìn)行更換，方便了維護(hù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，及時(shí)了解該類信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)。

4　效果及應(yīng)用

第7篇：電源技術(shù)范文

1．1基本拓?fù)?/p>

基本的拓?fù)浒˙UCK、BOOST、BUCK－BOOST、CUK、正激變換器、反激、半橋、全橋、推挽變換器。在課堂教學(xué)中應(yīng)該使學(xué)生熟練掌握其工作原理、應(yīng)用場所、電流連續(xù)和電流斷續(xù)的工作波形、拓?fù)渲械年P(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，為學(xué)生設(shè)計(jì)基本的開關(guān)電源電路打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這是第一層次，要求學(xué)生必須熟練掌握。尤其要著重講解基本拓?fù)銪UCK變換器，因?yàn)楹芏嗤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)甚至是基本拓?fù)涠伎梢杂葿UCK變換器變換得來。如果能在課堂上重點(diǎn)講解BUCK變換器，使學(xué)生完全掌握BUCK變換器的原理和波形，對(duì)學(xué)生后期的開關(guān)電源學(xué)習(xí)將會(huì)大有助益。第二層次是以基本拓?fù)錇楹诵牟糠值闹鞴β孰娐犯鞑糠謪?shù)計(jì)算，相當(dāng)于電源工程師的項(xiàng)目計(jì)算書部分，這也是電源工程師必須掌握的基本技能。由于課上時(shí)間有限，教師在課上會(huì)把拓?fù)渲嘘P(guān)鍵器件主要參數(shù)的計(jì)算方法給出，不可能把所有的參數(shù)計(jì)算一遍，所以導(dǎo)致有些學(xué)生就停滯在這個(gè)層次上，沒有在課下把所有的參數(shù)，尤其是關(guān)系到器件選型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了解決這個(gè)問題，在課程中后期安排學(xué)生團(tuán)隊(duì)制作實(shí)物開關(guān)電源，在這個(gè)過程中就必須要對(duì)每個(gè)計(jì)算參數(shù)都要反復(fù)核算，這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)取得了較好的效果。第三層次是主功率電路器件選型和調(diào)試，基本上只有參加過實(shí)物制作、電子設(shè)計(jì)大賽、實(shí)習(xí)項(xiàng)目的學(xué)生有機(jī)會(huì)達(dá)到這一步，通過實(shí)際存在的問題，就問題去解決，才會(huì)在實(shí)踐當(dāng)中結(jié)合他們上課學(xué)習(xí)的電源理論切實(shí)地體會(huì)調(diào)試電路的樂趣。

1．2PWM和PFC控制芯片

這部分會(huì)通過調(diào)研報(bào)告的形式讓學(xué)生先去搜集相關(guān)PWM和PFC控制芯片的最新信息，先讓學(xué)生去感知、去了解現(xiàn)在出來最新的控制芯片已經(jīng)可以做到哪些功能了，此外重要的是積累總結(jié)每一個(gè)拓?fù)淇梢杂心男┛刂菩酒瑏砜刂?。讓他們自己去發(fā)現(xiàn)問題，感知問題，帶著問題和好奇，在課堂上授課教師會(huì)深入講解PWM控制芯片的基本控制原理，通過工程項(xiàng)目詳細(xì)講解如何快速掌握一個(gè)新的控制芯片每個(gè)引腳的功能，電路的設(shè)計(jì)方法、元器件參數(shù)計(jì)算方法，使學(xué)生掌握如何用控制芯片來控制變換器實(shí)現(xiàn)電能的變換，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)控制芯片與變換器的連接電路，即檢測電路和功率管的驅(qū)動(dòng)電路。在課堂上教會(huì)學(xué)生使用PWM控制芯片數(shù)據(jù)說明書設(shè)計(jì)控制電路達(dá)到層次一，在課程學(xué)時(shí)中專門安排學(xué)生學(xué)習(xí)控制芯片電路的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)計(jì)算方法達(dá)到層次二，不僅讓學(xué)生掌握一種控制芯片的電路設(shè)計(jì)方法，更重要的是舉一反三，在以后的設(shè)計(jì)和工作崗位上面對(duì)新的平臺(tái)和控制芯片依然可以設(shè)計(jì)出符合要求的電路。

1．3變壓器和電感設(shè)計(jì)

授課教師在課堂教學(xué)中依據(jù)教學(xué)改革培養(yǎng)電源工程師為目標(biāo)不僅要介紹變壓器和電感的各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法，還會(huì)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目講授變壓器同名端和異名端在實(shí)際電源制作時(shí)的注意事項(xiàng)，變壓器的制作方法，掌握電壓器參數(shù)的測試方法和測試工具，掌握用示波器和信號(hào)發(fā)生器測試變壓器的匝比和同名端的方法。變壓器和電感的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到隔離型變換器的性能，很多學(xué)生對(duì)變壓器和電感磁路設(shè)計(jì)部分學(xué)習(xí)起來會(huì)有些困難，所以這部分將作為課程的難點(diǎn)來重點(diǎn)講解。

1．4保護(hù)電路設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)中一部分學(xué)時(shí)將用來著重講解各種保護(hù)電路，包括輸入輸出過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)等。將采用調(diào)研報(bào)告、啟發(fā)式和討論式等教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生去積累這些保護(hù)電路，學(xué)會(huì)在不同平臺(tái)、不同應(yīng)用場合使用不同的保護(hù)電路。

1．5閉環(huán)電路調(diào)試

結(jié)合自動(dòng)控制原理課程的相關(guān)知識(shí)，著重講解開關(guān)電源閉環(huán)電路的設(shè)計(jì)和分析，尤其是PID調(diào)節(jié)器的調(diào)試方法，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目演示電源工程師閉環(huán)電路調(diào)試過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)開關(guān)電源的學(xué)習(xí)興趣，通過實(shí)物和仿真軟件讓學(xué)生體驗(yàn)調(diào)試的樂趣，這部分是開關(guān)電源課程重點(diǎn)講解的內(nèi)容，要聯(lián)系實(shí)際項(xiàng)目，是課程的核心內(nèi)容。以上5個(gè)部分是課程的主要教學(xué)內(nèi)容塊，完全按照培養(yǎng)電源工程師的目標(biāo)下制定的教學(xué)計(jì)劃，可以做到較好地給學(xué)生從課堂到就業(yè)的過渡，而不再是到了工作崗位上感覺課堂學(xué)習(xí)的東西和實(shí)際工作聯(lián)系不緊密，什么知識(shí)什么技能都要工作之后學(xué)習(xí)。在課堂上，保證學(xué)生完全掌握第一個(gè)層次，通過課后作業(yè)、課堂實(shí)際項(xiàng)目案例、電源制作等形式的教學(xué)方法使大部分學(xué)生掌握層次二，在平時(shí)的教學(xué)中注意動(dòng)手能力強(qiáng)或者電路設(shè)計(jì)能力強(qiáng)的學(xué)生，通過帶學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、創(chuàng)新大賽，或者學(xué)生在項(xiàng)目中輔助教師擔(dān)任研發(fā)助理的工作等，使一部分學(xué)生研發(fā)能力可以快速提高，培養(yǎng)成具有基本技能的初級(jí)電源工程師。

2課程考核方式改革

考慮到開關(guān)電源課程的實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，著重考核學(xué)生掌握所學(xué)的基本電路拓?fù)淅碚摵图寄?，能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析電路、調(diào)試和測試電路、分析電路故障及排除電路故障的能力。

2．1制作電源實(shí)物

基于課堂系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)，獨(dú)立制作75W單管正激變換器實(shí)物的能力考核，該正激變換器采用何種磁復(fù)位技術(shù)不限，根據(jù)班級(jí)人數(shù)，3～4名同學(xué)為一個(gè)小組，明確不同分工，共同制作出一款正激變換器。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，考核的內(nèi)容也要增加當(dāng)該團(tuán)隊(duì)遇到分歧和困難的時(shí)候，是如何解決的。

2．2課堂表現(xiàn)

主要是包括回答問題的情況，對(duì)問題分析的程度，出勤率，在平時(shí)小組討論時(shí)的表現(xiàn)和活躍程度。

2．3科研報(bào)告、口頭匯報(bào)

通過讓學(xué)生搜索近3年國內(nèi)外開關(guān)電源、尤其是通信電源技術(shù)和產(chǎn)品的最新發(fā)展概況，增強(qiáng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力，在以后的學(xué)習(xí)和工作中掌握更新自己開關(guān)電源知識(shí)體系的能力，這是我們教學(xué)的重點(diǎn)，不只是教會(huì)學(xué)生電源的基本知識(shí)，還要教學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)探索開關(guān)電源領(lǐng)域的學(xué)習(xí)方法。選取部分優(yōu)秀學(xué)生的科研報(bào)告由學(xué)生濃縮成5分鐘的口頭匯報(bào)結(jié)合PPT、實(shí)物動(dòng)畫等多媒體展示方法在上課前5分鐘做口頭匯報(bào)分享給學(xué)生們。不僅較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)開關(guān)電源的興趣也能夠充分鍛煉學(xué)生的公開演講能力。

2．4作業(yè)

作業(yè)著重在學(xué)生是否是自己獨(dú)立完成的電路設(shè)計(jì)，而不是應(yīng)付了事。哪怕學(xué)生的設(shè)計(jì)內(nèi)容很少，但是只要是他們自己經(jīng)過思考得來的就要比其參考其他人的作業(yè)效果要好很多。

3開關(guān)電源技術(shù)教學(xué)改革反思

第8篇：電源技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：交流抗干擾電路；PFC電路；高壓整流濾波；PWM

1 引 言 2 計(jì)算機(jī)電源發(fā)展歷程

在計(jì)算機(jī)各部件中最令人注意的就是CPU的頻率、內(nèi)存的大小、硬盤容量，顯卡的性能等等。而對(duì)于電腦中的一個(gè)重要部件電源．卻往往總會(huì)受到忽略。而事實(shí)上，電腦的許多奇怪癥狀都是由電源引起的。假如我們把計(jì)算機(jī)比作一個(gè)人的話，CPU作為計(jì)算機(jī)的核心部件起著運(yùn)算和控制的作用，它相當(dāng)于我們?nèi)祟惖拇竽X；而電源作為計(jì)算機(jī)的動(dòng)力提供者，完全等價(jià)于我們?nèi)祟惖男呐K，其重要之處由此可見。所以有必要了解電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉電源的工作原理，才能更好地維護(hù)好計(jì)算機(jī)電源，才能從根本上保障公司各部門計(jì)算機(jī)設(shè)備長時(shí)間穩(wěn)定工作。

2 計(jì)算機(jī)電源發(fā)展歷程

PC／XT_ IBM最先推出個(gè)人PC／XT機(jī)時(shí)制定的標(biāo)準(zhǔn)；AT_ 也是由IBM早期推出PC／AT機(jī)時(shí)所提出的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)能夠提供192W 的電力供應(yīng)；ATX—Intel公司于1995年提出的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與AT比較主要變化為：

1、取消了AT電源上必備的電源開關(guān)而交由主板進(jìn)行電源開關(guān)的控制，增加了一個(gè)待機(jī)電路為電源主電路和主板提供電壓來實(shí)現(xiàn)電源喚醒等功能：

2、ATX電源首次引進(jìn)了+3．3V的電壓輸出端，與主板的連接接口上也有了明顯的改進(jìn)：ATX12V—— 支持P4的ATX標(biāo)準(zhǔn)，是目前的主流標(biāo)準(zhǔn)：ATX12V一1．1：在ATX的基礎(chǔ)之上增加了4pin的+12V輔助供電線(PIO)為P4處理器供電，改變了各路輸出功率分配方式， 增強(qiáng)+12V 負(fù)載能力；ATX12V一1.3：提高了電源效率，增加了對(duì)SATA的支持。去掉了一5V輸出，增加了+12V的輸出能力；ATX12V一2.0：尚未有產(chǎn)品實(shí)施的最新規(guī)范；電源連接器由20針改為24針，以支持75W 的PCI Express總線．同時(shí)取消輔助電源接口；提供另一路+12V輸出，直接為4Pin接口供電；WTX—ATX 電源的加強(qiáng)版本：尺寸上比ATX電源大。供電能力也比比ATX電源強(qiáng)，常用于服務(wù)器和大型電腦；BTX一現(xiàn)有架構(gòu)的終結(jié)者，電源輸出要求、接口等支持ATX12V。

3 計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的工作原理

電源是一種能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，它能將220V的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)需要的低電壓強(qiáng)電流的直流電。首先將高電壓交流電(220V)通過全橋二極管整流以后成為高電壓的脈沖直流電，再經(jīng)過電容濾波以后成為高壓直流電。此時(shí)，控制電路控制大功率開關(guān)三極管將高壓直流電按照一定的高頻頻率分批送到高頻變壓器的初級(jí)。接著，把從次級(jí)線圈輸出的降壓后的高頻低壓交流電通過整流濾波轉(zhuǎn)換為能使電腦工作的低電壓強(qiáng)電流的直流電。其中，控制電路也是必不可少的部分。它能有效的監(jiān)控輸出端的電壓值，并向控制功率開關(guān)三極管發(fā)出信號(hào)控制電壓上下調(diào)整的幅度。目前的常見產(chǎn)品主要采用脈沖變壓器耦合型開關(guān)穩(wěn)壓電源，它分為交流抗干擾電路、功率因數(shù)校正電路、高壓整流濾波電路、開關(guān)電路、低壓整流濾波電路5個(gè)主要部分。

4 交流抗干擾電路

為避免電網(wǎng)中的各種干擾信號(hào)影響高頻率、高精度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)．防止電源開關(guān)電路形成高頻擾竄，影響電網(wǎng)中的其他電器等；各種電磁、安規(guī)認(rèn)證都要求開關(guān)電源配有抗干擾電路。主要結(jié)構(gòu)為兀型共模、差模濾波電路．由差模扼流電感、差模濾波電容、共模扼流電感、共模濾波電容組成：

5 功率因數(shù)校正電路

開關(guān)電源傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路令整體負(fù)載表現(xiàn)為容性，且使交流輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變，向電網(wǎng)注人大量的高次諧波，功率因數(shù)僅有0．6左右，對(duì)電網(wǎng)和其他電氣設(shè)備造成嚴(yán)重的諧波污染與干擾。因此，我國在2003年開始實(shí)施的CCC中明確要求計(jì)算機(jī)電源產(chǎn)品帶有功率因數(shù)校正器(Power Factor Corrector，即PFC)，功率因數(shù)達(dá)到0．7以上。PFC電路分為主動(dòng)式(有源)與被動(dòng)式(無源)兩種：主動(dòng)式PFC本身就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)電源．通過控制芯片驅(qū)動(dòng)開關(guān)管對(duì)輸入電流進(jìn)行”調(diào)制”，令其與電壓盡量同步，功率因數(shù)接近于1；同時(shí)．主動(dòng)式PFC控制芯片還能夠提供輔助供電，驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部其他芯片以及負(fù)擔(dān)+5VSB輸出。主動(dòng)式PFC功率因數(shù)高、+5VSB輸出紋波頻率高、幅度小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，僅在一些高端電源中使用。目前采用主動(dòng)式PFC的計(jì)算機(jī)電源一般采用升壓轉(zhuǎn)換器式設(shè)計(jì)，電路原理圖如下：被動(dòng)式PFC結(jié)構(gòu)簡單，只是針對(duì)電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn)，在交流輸人端．抗干擾電路之后串接了一個(gè)大電感，強(qiáng)制平衡電源的整體負(fù)載特性。被動(dòng)式PFC采用的電感只需適應(yīng)50～60Hz的市電頻率，帶有工頻變壓器常用的硅鋼片鐵芯，而非高頻率開關(guān)變壓器所采用的鐵氧體磁芯，從外觀上非常容易分辨。被動(dòng)式PFC效果較主動(dòng)式PFC有一定差距，功率因數(shù)一般為0．8左右；但成本低廉，且無需對(duì)原有產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行大幅度修改就可以符合CCC要求，是目前主流電源通常采取的方式。

6 高壓整流濾波電路

目前的各種開關(guān)電源高壓整流基本都采用全橋式二極管整流，將輸人的正弦交流電反向電壓翻轉(zhuǎn)，輸出連續(xù)波峰的“類直流”。再經(jīng)過電容的濾波，就得到了約300V的“高壓直流”。

7 開關(guān)電路

開關(guān)電源的核心部分．主要由精密電壓比較芯片、PWM芯片、開關(guān)管、驅(qū)動(dòng)變壓器、主開關(guān)變壓器組成。精密電壓比較芯片將直流輸出部分的反饋電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較．PWM芯片根據(jù)比較結(jié)果通過驅(qū)動(dòng)變壓器調(diào)整開關(guān)管的占空比，進(jìn)而控制主開關(guān)變壓器輸出給直流部分的能量，實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)壓”輸出。PWM(Pules Width Modulation)即脈寬調(diào)制電路，其功能是檢測輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大，控制振蕩器的脈沖寬度，從而控制推挽開關(guān)電路以保持輸出電壓的穩(wěn)定，主要由1C TL494及周圍元件組成。使用驅(qū)動(dòng)變壓器的目的是為了隔離高壓(300V)區(qū)與低壓區(qū)(最高12V)，避免開關(guān)管擊穿后高壓電可能對(duì)低壓設(shè)備造成的危害，也令PWM芯片無需接觸高壓信號(hào)，降低了對(duì)元件規(guī)格的要求。

沖變壓器耦合型開關(guān)穩(wěn)壓電源主要的直流(高壓到低壓)轉(zhuǎn)換方式有5種，其中適合作為計(jì)算機(jī)電源使用的主要為推挽式與半橋式，而推挽式多用于小型機(jī)、UPS等，我們常見的電源產(chǎn)品則基本都采用半橋式變換。

8 低壓整流濾波電路

經(jīng)過調(diào)制的高壓直流成為了低壓高頻交流，需要經(jīng)過再次整流濾波才能得到希望的穩(wěn)定低壓直流輸出。整流手段與高壓整流類似，仍是利用二極管的單向?qū)ㄐ再|(zhì)，將反向波形翻轉(zhuǎn)。為了保證濾波后波形的完整性，要求互相配合實(shí)現(xiàn)360。的導(dǎo)通，因此一般采用快速恢復(fù)二極管(主要用于+12V整流)或肖特基二極管(主要用于+5V、+3．3V整流)。濾波仍是采用典型的扼流電感配合濾波電容，不過此處的電感不僅為了扼制突變電流，更為重要的作用是像高壓濾波部分的電容一樣作為儲(chǔ)能元件，為輸出端提供連續(xù)的能量供應(yīng)。實(shí)際產(chǎn)品中高壓整流濾波電路、開關(guān)電路、低壓整流濾波電路是一個(gè)整體，雖然原理與前述基本相同，但元件個(gè)數(shù)、分布方式會(huì)有很大變化。例如采用半橋式電壓變換的電源就有兩個(gè)高壓濾波電容，每一路直流輸出對(duì)應(yīng)兩個(gè)整流管，各負(fù)責(zé)半個(gè)周期的輸出；而采用單端正激式電壓變換的電源則只有一個(gè)高壓濾波電容，每一路直流輸出對(duì)應(yīng)兩個(gè)整流管，工作時(shí)間按照開關(guān)管占空比分配。其他較為重要的部分還有輔助供電電路與保護(hù)電路：輔助供電電路一個(gè)小功率的開關(guān)電源，交流輸入接通后即開始工作。300V直流電被輔助供電開關(guān)管調(diào)制成為脈沖電流，通過輔助供電變壓器輸出二路交流電壓。一路經(jīng)整流、三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，輸出為+5VSB，供主板待機(jī)所用；另一路經(jīng)整流濾波，輸出輔助+12V電源，供給電源內(nèi)部的PWM等 片工作。主動(dòng)式PFC具有輔助供電的功能，可以提供+5VSB及電源內(nèi)部芯片所需電壓；故采用主動(dòng)式PFC的電源可以省略掉輔助供電部分，只使用兩個(gè)開關(guān)變壓器。

9 保護(hù)電路

電源主要的保護(hù)措施有7種：

1、輸入端過壓保護(hù)：通過耐壓值為270V的壓敏電阻實(shí)現(xiàn)：

2、輸入端過流保護(hù)：通過保險(xiǎn)絲：

3、輸出端過流保護(hù)：通過導(dǎo)線反饋，驅(qū)動(dòng)變壓器就會(huì)相應(yīng)動(dòng)作，關(guān)斷電源的輸出；

4、輸出端過壓保護(hù)：當(dāng)比較器檢測到的輸出電壓與穩(wěn)壓管兩端的基準(zhǔn)電壓偏差較大時(shí)，就會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整：

5、輸出端過載保護(hù)：過載保護(hù)的機(jī)理與過流保護(hù)一樣，也是通過控制電路和驅(qū)動(dòng)變壓器進(jìn)行的：

6、輸出端短路保護(hù)：輸出端短路時(shí)，比較器會(huì)偵測到電流的變化，并通過驅(qū)動(dòng)變壓器、關(guān)斷開關(guān)管的輸出：

7、溫度控制：通過溫度探頭檢測電源內(nèi)部溫度，并智能調(diào)扇轉(zhuǎn)速，對(duì)電源內(nèi)部溫度進(jìn)行控制；

10 電源的好壞對(duì)其他部件的影響

CPU對(duì)電壓就非常敏感，電壓稍微高一點(diǎn)就可能燒毀CPU，電壓過低則無法啟動(dòng)；而硬盤在電壓不足時(shí)就無法正常工作，在電壓波動(dòng)大時(shí)甚至?xí)潅P片，造成無法挽救的物理損害；諸如此類，不一而足。在很多情況下，主機(jī)內(nèi)的配件損壞了，用戶只是認(rèn)為是配件本身的質(zhì)量問題．而很少考慮可能是電源輸出的低壓直流電電壓不穩(wěn)所造成的。所以，輸出電壓的波動(dòng)范圍就是考查電源質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前，一般的電源產(chǎn)品在空載和輕載時(shí)的表現(xiàn)都較好(假冒偽劣產(chǎn)品除外)，而重載測驗(yàn)才是烈火試真金的真正考驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

第9篇：電源技術(shù)范文

關(guān)鍵詞:低功耗設(shè)計(jì);電源關(guān)斷; CPF格式

The Design Implementation Based on Power Shut off Technology

WANG Dian-chao YI Xing-yong Pan Liang

(CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd. Beijing 100102,China)

Abstract:The technology of Power Shut Off(PSO) refers to shutting off the power of the module when it dose not work in a period of time, in order to reduce chip power .The CPF format developed by Cadence company was adopted in this paper to define each low power cell and to introduce implementation flow of PSO through an experimental case. The result shows that the chip's static power can be effectively reduced when the PSO technology is used.

Key words: Low power design; Power Shot Off; CPF format

1引言

隨著系統(tǒng)芯片(SoC) 采用更先進(jìn)的制造工藝并集成更多的功能,它所面臨的高性能與低功耗的矛盾越來越突出。對(duì)于130nm及以下的工藝,芯片的功耗密度越來越高、漏電功耗所占比例越來越大,在90 nm時(shí),靜態(tài)功耗在總功耗的比例已經(jīng)接近1/3,如圖1所示,所以在芯片的設(shè)計(jì)過程中,除了對(duì)芯片的動(dòng)態(tài)功耗進(jìn)行優(yōu)化外,還要對(duì)芯片的靜態(tài)功耗進(jìn)行有效的優(yōu)化。

芯片中某些模塊在一段時(shí)間內(nèi)不工作時(shí),通過將其供電電源關(guān)斷,從而達(dá)到降低芯片功耗的目的。電源關(guān)斷(PSO)技術(shù)是最有效的降低靜態(tài)功耗的技術(shù)之一。本文通過采用Cadence公司的CPF格式來定義各個(gè)低功耗單元,用實(shí)例來介紹實(shí)現(xiàn)電源關(guān)斷的過程,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 電源關(guān)斷技術(shù)

及CPF格式定義低功耗單元

2.1 電源關(guān)斷技術(shù)簡介

如果某一模塊在一段時(shí)間內(nèi)不工作,可以關(guān)掉它的供電電源。關(guān)掉供電電源可以使用設(shè)置在模塊頂部或底部的Power Switch開關(guān),通常在使用后端工具進(jìn)行布局布線時(shí)加入。斷電后,模塊進(jìn)入睡眠模式,其漏電功率很小。喚醒時(shí),為了使模塊盡快恢復(fù)工作模式,需要保持關(guān)電前的狀態(tài),保持寄存器(SRPG)可用于記憶狀態(tài)。 為了使保持寄存器記憶狀態(tài),模塊的電源關(guān)斷時(shí),需要常開電源為保持寄存器供電。為了保證在睡眠模式時(shí),下一級(jí)的輸入不會(huì)懸空,設(shè)計(jì)中需要插入隔離單元(Isolation Cell),提供一個(gè)“1”或“0” 的輸出,使下一級(jí)的輸入為確定的邏輯值。綜上所述,電源關(guān)斷設(shè)計(jì)需要工藝庫中提供的低功耗單元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔離單元(ISO)、常開緩沖器(always on buffer)及電源開關(guān)(power switch)等低功耗單元。

2.2 CPF格式定義低功耗單元

面臨低功耗設(shè)計(jì),EDA工具供應(yīng)商強(qiáng)調(diào)整個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)低功耗自動(dòng)管理的概念,同時(shí)簡化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由Cadence公司開發(fā)、Si2(silicon integration initiative)的低功耗聯(lián)盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行業(yè)開放。Synopsys后來聯(lián)合Mentor和Magma等公司開發(fā)了統(tǒng)一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作為一項(xiàng)Accellera標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。 UPF和CPF命令十分類似,只是各自對(duì)應(yīng)于不同的EDA工具。如圖2所示CPF設(shè)計(jì)流程。

CPF文件允許用戶在整個(gè)RTL-GDSII設(shè)計(jì)流程中定義功率設(shè)計(jì)意圖和約束條件,使用Tcl腳本文件,用戶可以使用其中的命令完成諸如建立和管理電源域、確定隔離和保持、定義與電源相關(guān)的規(guī)則和約束條件等等。

3基于電源關(guān)斷技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1設(shè)計(jì)實(shí)例介紹

測試芯片采用了電源關(guān)斷的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),芯片中劃分了5個(gè)獨(dú)立的電源域,其中PD0為常開電源域,PD1-PD4為可關(guān)斷電源域,電源域中的寄存器在綜合階段全部替換成了保持寄存器,因此可以在電源重新上電后恢復(fù)斷電前的數(shù)據(jù)。芯片的邏輯部分供電電壓為1.8V,芯片中包含了一塊電源可關(guān)斷的SRAM模塊,如圖3所示。

物理實(shí)現(xiàn)選用的工藝庫為130nm低功耗庫,庫中包含了電源關(guān)斷設(shè)計(jì)所需要的低功耗單元。

3.2芯片的物理設(shè)計(jì)

相對(duì)于普通設(shè)計(jì),在物理實(shí)現(xiàn)過程中,低功耗設(shè)計(jì)有一些特殊的步驟,需要在設(shè)計(jì)過程中加以注意,如加入power switch開關(guān)、添加連接常開電源的well tap 單元等等。接下來將對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中的特殊步驟加以介紹。完整的低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程如下:

3.2.1 添加 Power switch 開關(guān)

對(duì)需要關(guān)斷的Power Domain,添加power switch開關(guān),在添加開關(guān)時(shí)要保證power switch屬于所添加的電源區(qū)域,同時(shí)起始點(diǎn)設(shè)置為布線間距的整數(shù)倍,否則在布線后插入filler會(huì)產(chǎn)生空隙。本次設(shè)計(jì)中power switch插入的起始點(diǎn)為264,此距離為采用的130nm工藝庫中布線間距(0.48)的整數(shù)倍。插入power switch腳本如下:

#PD1

addPowerSwitch-column

-powerDomain PD1

-globalSwitchCellName scs8lp_sleep_head_L

-leftOffset 264 -enablePinIn sleep

-enablePinOut sleepout

-enableNetIn instance_core/UNCONNECTED22

-enableNetOut sw_out

-checkerBoard 1

-horizontalPitch 900.0

3.2.2加入well tap單元:

對(duì)于常開電源區(qū)和可關(guān)斷電源區(qū),需要添加不同類型的well tap,對(duì)于常開電源區(qū),加入普通類型的well tap;但對(duì)于可關(guān)斷電源區(qū),由于電源關(guān)斷后,仍然有保持寄存器中的一部分邏輯電路在工作,即保存關(guān)斷前的數(shù)值,因此,必須對(duì)這部分工作的器件進(jìn)行阱連接。添加特殊類型的well tap。如圖4所示,well tap單元上加有窄的stripe,以保證well tap供電,進(jìn)而使保持寄存器工作部分的邏輯電路的阱連接。

3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell

對(duì)于各個(gè)電源區(qū)域保持寄存器的控制端,由于受到同一個(gè)控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng),容易產(chǎn)生信號(hào)的延時(shí)及max fanout不滿足問題,通常對(duì)這些端口的信號(hào)線進(jìn)行buffer tree synthesis,進(jìn)而對(duì)信號(hào)到達(dá)不同寄存器的skew進(jìn)行平衡。

隔離單元與保持寄存器單元類似,也要對(duì)控制信號(hào)端進(jìn)行buffer tree synthesis。

相應(yīng)的腳本如下:

#SRPG enable signal buffer tree synthesis

selectNet instance_core/n_594

bufferTreeSynthesis -bufList{scs8lp_bufkapwr_1scs8lp_bufkapwr_4}

-maxDelay 300ps

-net instance_core/n_594

-fixedBuf

-fixedNet

# isolation enable signal buffer tree synthesis

selectNetinstance_core/n_8065

bufferTreeSynthesis -bufList {scs8lp_buf_4}

-maxDelay 300ps

-net instance_core/n_8065

-fixedBuf

-fixedNet

在進(jìn)行buffer tree synthesis 過程中,一定要設(shè)置-fixedBuf fixedNet,否則優(yōu)化過程中,會(huì)使常開的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢復(fù)的數(shù)值不能正確操作。

3.2.4 Always on pin connected for SRPG

保持寄存器用于受到電源關(guān)斷的區(qū)域,保持寄存器一般包含兩級(jí):主級(jí)與存儲(chǔ)級(jí)。主級(jí)與本地(可開關(guān))電源軌相連。存儲(chǔ)級(jí)與常開電源相連,以便用最小的漏電電流保持正常狀態(tài),存儲(chǔ)級(jí)通常使用高閾值電壓晶體管。如圖5所示130nm工藝庫中保持寄存器版圖,其中kapwr為常開電源Pin。

保持寄存器的性能與常規(guī)寄存器幾乎完全一樣,不過需要更大的面積和稍高的動(dòng)態(tài)耗電。在正常運(yùn)行過程中,這些寄存器具有與其他標(biāo)準(zhǔn)寄存器相同的功能,一旦發(fā)出保持啟動(dòng)信號(hào),寄存器就進(jìn)入保持模式,意味著可以關(guān)閉電源,處于保持模式時(shí),時(shí)鐘和重置信號(hào)不起作用。

在時(shí)鐘樹綜合之前,需要對(duì)保持寄存器的常開電源Pin進(jìn)行連接。布線器會(huì)把選中的器件、選中的pin連接到指定的電源stripe上去,腳本如下:

#SRPG virtpwr connected by nanoroute

setNanoRouteMode -routeHonorPowerDomain true

setPGPinUseSignalRoute scs8lp_srsdfrtp_1:kapwr scs8lp_bufkapwr_1:kapwr

scs8lp_bufkapwr_4:kapwr

selectNet VDD1V8

setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly true

globalDetailRoute

setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly false

以上幾個(gè)步驟為電源關(guān)斷設(shè)計(jì)中相對(duì)普通設(shè)計(jì)需要特別注意的地方,布局布線完成后,需要進(jìn)行詳細(xì)的DRC/LVS檢查。

4芯片的測試結(jié)果分析

芯片從Foundry返回后,測試結(jié)果表明,芯片可以實(shí)現(xiàn)電源關(guān)斷的操作,重新上電后,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的恢復(fù),如圖6所示。

對(duì)于單個(gè)可關(guān)斷的電源域,動(dòng)態(tài)功耗為:3.04-3.25mA,供電電源關(guān)斷后,靜態(tài)功耗為: 189-200nA,從上述結(jié)果可以看出,芯片采用電源關(guān)斷技術(shù),可以有效的降低芯片的靜態(tài)功耗。對(duì)于手持式設(shè)備,芯片的靜態(tài)功耗或待機(jī)功耗要求苛刻,對(duì)一些認(rèn)證IP,認(rèn)證結(jié)束后,芯片正常工作狀態(tài)下,不需要其繼續(xù)工作,可以考慮采用電源關(guān)斷技術(shù),關(guān)斷其供電電源;對(duì)于某些特殊的IP或Memory等,也可以同樣采用此技術(shù)。

5結(jié)束語

電源關(guān)斷技術(shù)要求從系統(tǒng)級(jí)處了解在哪里增加電源門,怎樣及何時(shí)去控制這些電源門。同時(shí)切斷設(shè)計(jì)的電源必須能節(jié)省功耗,因?yàn)樵跀嚯姾图与娹D(zhuǎn)換期間的功率純粹是浪費(fèi)的。斷電和加電要求一定的轉(zhuǎn)換周期,也需要通過仿真來對(duì)比電源關(guān)斷時(shí)節(jié)省的功率以及加電時(shí)耗費(fèi)的切換功率,同時(shí),也必須權(quán)衡考慮為實(shí)現(xiàn)此省電技術(shù)而需要的芯片面積和關(guān)斷該設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的任何性能降低。

采用電源關(guān)斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì),要從綜合階段開始,綜合過程中插入隔離單元并把普通寄存器替換為保持寄存器。接著,物理實(shí)現(xiàn)階段必須了解頂部/底部(header/footer)開關(guān)的特殊電源連接需求,正確的將開關(guān)插入各自的電源域中,同時(shí)要添加特殊類型的well tap,以保證保持寄存器常開部分邏輯電路的阱連接,在時(shí)鐘樹綜合之前,需要對(duì)保持寄存器的常開電源Pin進(jìn)行連接等等。

為確保流片成功,芯片設(shè)計(jì)要求通過時(shí)序和信號(hào)完整性分析,來解決開關(guān)中額外的IR-drop壓降、通過隔離單元的時(shí)延和控制信號(hào)對(duì)噪聲的靈敏度問題。等效性檢查應(yīng)包括電源域識(shí)別、隔離/電源開關(guān)使能的驗(yàn)證以及狀態(tài)保持的睡眠/喚醒序列檢查等等。

基于以上論述,是否采用電源關(guān)斷設(shè)計(jì)要經(jīng)過仔細(xì)的分析,準(zhǔn)確的評(píng)估芯片設(shè)計(jì)中采用電源關(guān)斷技術(shù)后可以優(yōu)化靜態(tài)功耗的比例。同時(shí),物理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中,需要特別注意與其他普通設(shè)計(jì)的區(qū)別。

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作者簡介

王殿超,北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司芯片工程部 物理設(shè)計(jì)工程師;