電源模塊的特點與優(yōu)點
電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器,其特點是可為專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。一般來說,這類模塊稱為負載點 (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多,因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。
尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣,模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來越大,轉(zhuǎn)換效率越來越高,應(yīng)用也越來越簡單。
人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化,且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調(diào)制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調(diào)制(1)Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓
U0小于輸入電壓Ui,極性相同。
(2)Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓
U0大于輸入電壓Ui,極性相同。
(3)Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其
輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。
(4)Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電
壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。
還有Sepic、Zeta電路。
上述為非隔離型電路,隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。
當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3,效率為(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管),使整個電路效率提高到90%。
2.2AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經(jīng)整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為,單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
開關(guān)電源的選用
開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(多級串聯(lián)),一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過,在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢,其輸出電壓穩(wěn)定度可達(0.5~1)%。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件,在選用中應(yīng)注意以下幾點:
3.1輸出電流的選擇
因開關(guān)電源工作效率高,一般可達到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應(yīng)準(zhǔn)確測量或計算用電設(shè)備的最大吸收電流,以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比,通常輸出計算公式為:
Is=KIf
式中:Is—開關(guān)電源的額定輸出電流;
If—用電設(shè)備的最大吸收電流;
K—裕量系數(shù),一般取1.5~1.8;
3.3保護電路
開關(guān)電源在設(shè)計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能,故在設(shè)計時應(yīng)首選保護功能齊備的開關(guān)電源模塊,并且其保護電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。
電源的幾大指標(biāo)
功率 P=UI,是輸出電壓和輸出電流的乘積。
輸入電壓分交流輸入和直流輸入2種。
輸出電壓一般是直流輸出,但也有交流輸出的。
工作溫度
隔離電壓:隔離就是將輸出與輸入進行電路上的分離。有以下幾個作用:
一,電流變換;
二,為了防止輸入輸出相互干擾;
三,輸入輸出電路的信號特性相差太大,比如用弱信號控制強電的設(shè)備
封裝尺寸有插針,貼片的,和螺旋。
輸出有單路輸出,雙路輸出及多路輸出。電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器,其特點是可為專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。一般來說,這類模塊稱為負載點 (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多,因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。
尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣,模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來越大,轉(zhuǎn)換效率越來越高,應(yīng)用也越來越簡單。
人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù),兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化,且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述
DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調(diào)制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調(diào)制(1)Buck電路——降壓斬波器,其輸出平均電壓
U0小于輸入電壓Ui,極性相同。
(2)Boost電路——升壓斬波器,其輸出平均電壓
U0大于輸入電壓Ui,極性相同。
(3)Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器,其
輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電感傳輸。
(4)Cuk電路——降壓或升壓斬波器,其輸出平均電
壓U0大于或小于輸入電壓Ui,極性相反,電容傳輸。
還有Sepic、Zeta電路。
上述為非隔離型電路,隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。
當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍,美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器,其最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3,效率為(80~90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列,其開關(guān)頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27W/cm3,采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二極管),使整個電路效率提高到90%。
2.2AC/DC變換
AC/DC變換是將交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經(jīng)整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA),交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。
AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為,單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。
開關(guān)電源的選用
開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上,由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(多級串聯(lián)),一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過,在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢,其輸出電壓穩(wěn)定度可達(0.5~1)%。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件,在選用中應(yīng)注意以下幾點:
3.1輸出電流的選擇
因開關(guān)電源工作效率高,一般可達到80%以上,故在其輸出電流的選擇上,應(yīng)準(zhǔn)確測量或計算用電設(shè)備的最大吸收電流,以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比,通常輸出計算公式為:
Is=KIf
式中:Is—開關(guān)電源的額定輸出電流;
If—用電設(shè)備的最大吸收電流;
K—裕量系數(shù),一般取1.5~1.8;
3.3保護電路
開關(guān)電源在設(shè)計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能,故在設(shè)計時應(yīng)首選保護功能齊備的開關(guān)電源模塊,并且其保護電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配,以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。
電源的幾大指標(biāo)
功率 P=UI,是輸出電壓和輸出電流的乘積。
輸入電壓分交流輸入和直流輸入2種。
輸出電壓一般是直流輸出,但也有交流輸出的。
工作溫度
隔離電壓:隔離就是將輸出與輸入進行電路上的分離。有以下幾個作用:
一,電流變換;
二,為了防止輸入輸出相互干擾;
三,輸入輸出電路的信號特性相差太大,比如用弱信號控制強電的設(shè)備
封裝尺寸有插針,貼片的,和螺旋。
輸出有單路輸出,雙路輸出及多路輸出。電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器,其特點是可為專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。一般來說,這類模塊稱為負載點 (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多,因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。
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