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模块电源基础知识解析

2019-08-16 点击:1414
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模块电源是可以直接安装在印刷电路板上的电源。它可以是专用集成电路(ASIC),数字信号处理器(DSP),微处理器,存储器,现场可编程门阵列(FPGA)等。数字或模拟负载提供电源。通常,这种模块称为负载点(POL)电源系统或使用点电源系统(PUPS)。由于模块化结构的明显优势,模块电源广泛应用于交换设备,接入设备,移动通信,微波通信,光通信,路由器等通信领域以及汽车电子,航空航天等领域。

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产品功能

●设计简单。只需一个电源模块和少量分立元件即可获得功率。 ●缩短开发周期。模块电源通常具有各种输入和输出选项。用户还可以重复叠加或交叉堆叠,形成模块化电源,实现多输入输出,大大缩短了原型的开发时间。

●灵活的变化。如果需要更改产品设计,只需转换或并联另一个合适的电源模块。

●技术要求低。模块电源通常配备标准化前端,高度集成的电源模块和其他组件,使电源设计更简单。

●模块电源外壳采用散热器,散热器和外壳三合一结构,实现模块电源的传导冷却方式,使电源温度值接近最小值。同时,它为模块化电源提供了标准封装。

●高品质,可靠。模块电源一般全自动化,配备高科技生产技术,质量稳定可靠。

●用途广泛:模块电源可广泛应用于航空航天,机车船舶,军用武器,发电配电,邮电通讯,冶金矿山,自动控制,家用电器,仪器仪表,科研实验等各个领域。特别是在高可靠性和高技术领域发挥着不可替代的重要作用。

产品分类

根据现代电力电子应用领域,我们将模块电源分为如下:

绿色模块电源

计算机技术的飞速发展使人类进入了信息社会,也促进了模块化电源技术的快速发展。 20世纪80年代,计算机全面采用开关电源,率先完成计算机发电。然后开关电源技术已进入电子和电气设备领域。计算机技术的发展,绿色电脑和绿色模块电源。绿色计算机是指对环境无害的个人计算机和相关产品。绿色电源是指与绿色电脑相关的高效节能电源。根据美国环境保护署1992年6月17日的能源之星计划,表A型个人电脑或相关外围设备,如果睡眠状态下的耗电量小于30瓦,则符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低功耗的根本途径。对于功率为75%的200瓦开关电源,电源本身消耗50瓦的能量。

高频开关

通信业的快速发展极大地促进了通信电源的发展。高频微型开关电源及其技术已成为现代通信电源系统的主流。在通信领域中,整流器通常被称为主电源,并且直流 - 直流(DC/DC)转换器被称为辅助电源。主电源的功能是将单相或三相交流电网转换为标称值为48V的直流电源。在程控交换机的主电源中,传统的相控稳压电源已被高频开关电源所取代。高频开关电源(也称为开关整流器SMR)通过MOSFET或IGBT以高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,以实现高效率和小型化。近年来,开关整流器的功率容量不断扩大,独立容量从48V/12.5A和48V/20A扩展到48V/200A和48V/400A。

由于通信设备中使用的集成电路种类繁多,电源电压也不同。在通信电源系统中,采用高功率密度高频DC-DC隔离模块电源,中间总线电压(一般为48V DC)转换为各种直流电压,可大大减少损耗,便于维护,安装和增加非常方便。通常,它可以直接安装在标准控制板上。对二次电源的要求是高功率密度。随着通信容量的不断增加,通信容量将继续增加。

(DC/DC)转换器

DC/DC转换器将固定的DC电压转换为可变DC电压。该技术广泛应用于无轨电车,地铁列车,电动车的无级变速控制,同时上述控制加速稳定。响应性能同时获得节能效果。用直流斩波器代替压敏电阻可节省能量(20~30)%。直流斩波器不仅可以用作稳压器(开关电源),还可以有效抑制电网侧的谐波电流噪声。

通信电源的二次电源DC/DC转换器已经商品化,该模块采用高频PWM技术。开关频率约为500 kHz,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,模块电源需要小型化。因此,有必要不断提高开关频率并采用新的电路拓扑结构。一些公司使用零电流开关和零电压开关技术开发和生产二次电路。模块供电,功率密度有了很大提高。

不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机,通信系统以及需要不间断应用所需的高可靠性,高性能电源。 AC电源输入由整流器转换为DC,部分能量充电到电池组,另一部分能量通过逆变器转换为AC,并通过转换开关发送到负载。为了在逆变器故障的情况下仍然为负载提供能量,另一个备用电源由电力转换开关实现。

现代UPS一般采用脉冲宽度调制技术和现代功率电子器件如功率MOSFET和IGBT,降低了电源噪声,提高了效率和可靠性。微处理器硬件和软件技术的引入可以实现UPS的智能化管理,远程维护和远程诊断。

目前,在线UPS的最大容量可达600kVA。超小型UPS的发展也非常快,已经有各种规格的产品,如0.5kVA,lVA,2kVA,3kVA。

逆变模块电源

逆变电源主要用于交流电机的变频调速,其在电力驱动系统中的地位日益重要,取得了巨大的节能效果。逆变电源的主电路采用AC-DC-AC方案。工频电源通过整流器转为固定直流电压,然后由高功率晶体管或IGBT组成的PWM高频转换器将直流电压转换为电压和变频交流输出,功率输出波形近似于正弦波。它用于驱动交流异步电动机,实现无级调速。

引进了400kVA以下的国际逆变电源产品。在20世纪80年代早期,日本东芝公司首次将交流变频调速技术应用于空调。到1997年,其市场份额已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适和节能的优点。在20世纪90年代初,中国开始研究变频空调。 1996年引进变频空调生产线,逐步形成变频空调的发展热点。预计到2000年左右将形成高潮。除了变频电源之外,变频空调还需要适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,选择功能部件是空调变频电源发展的进一步发展方向。

逆变模块电源

高频逆变整流焊机电源是一种高性能,高效率,低成本的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商业化,该电源具有广阔的应用前景。

大多数逆变焊机电源采用AC-DC-AC-DC(AC-DC-AC-DC)转换方式。通过全桥整流将50Hz交流电转换为直流电。 IGBT的PWM高频转换部分将直流电转换为20kHz的高频矩形波。高频变压器耦合后,通过整流和滤波稳定,并使用电源电弧。

件恶劣,频繁的短路,电弧和开路变化,高频逆变式整流电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是对用户最关心的问题。微处理器用作脉冲宽度调制(PWM)相关的控制器。通过对多参数和多信息的提取和分析,实现了预测系统各种工作状态的目的,然后对系统进行了调整和处理,以解决问题。大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机可达到额定焊接电流300A,负载持续时间60%,满载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

高压直流模块电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘器,水质改善,医用X射线机,CT机等大型设备。电压高达50~159kV,电流达到0.5A,功率可达100kW。

自20世纪70年代以来,日本的一些公司已采用逆变器技术将主电源整流至约3 kHz的中频,然后进行升压。在20世纪80年代,高频开关电源技术迅速发展。西门子德国公司使用功率晶体管作为主要开关元件,将电源的开关频率提高到20 kHz以上。干式变压器技术成功应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,进一步降低了变压器系统的体积。

件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

有源电力滤波器

当传统的AC-DC转换器投入运行时,大量的谐波电流将被注入电网,造成谐波损耗和干扰,同时,设备网络侧的功率因数也会恶化,是,所谓的“电力”公害,例如,当不受控制的整流加电容滤波时,电网侧的三次谐波含量可达到(70~80)%,而电网侧的功率因数仅为0.50.6。

有源电力滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子设备。它可以克服传统LC滤波器的缺点,是一种很有前景的谐波抑制方法。滤波器由桥式开关功率转换器和特定控制电路组成。与传统开关电源的区别在于:(1)不仅反馈输出电压,还有反馈输入平均电流; (2)电流环参考信号是电压环误差信号和全波整流电压采样信号的乘积。

分布式电力系统

分布式供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路为基础元件,利用最新的理论和技术成果形成构建模块和智能大功率电源,使强弱电源紧密结合结合起来减少高功率。组件和大功率设备(集中式)的开发压力,以提高生产效率。

20世纪80年代初,分布式高频开关电源系统的研究主要集中在转换器并联技术的研究上。在20世纪80年代中后期,随着高频功率转换技术的快速发展,出现了各种转换器拓扑结构,将大规模集成电路和功率元件技术相结合,实现了中小功率器件的集成,从而迅速推动分布式高频开关电源系统的发展。自20世纪80年代后期以来,这一方向已成为国际电力电子领域的研究热点。论文数量逐年增加,应用领域不断扩大。

分布式供电方式具有节能,可靠,高效,经济,维护方便的优点。它已逐渐被大型计算机,通信设备,航空航天,工业控制系统等采用。它也是低压电源(3.3V)超高速集成电路最理想的电源。在大功率应用中,如电镀,电解电源,电力机车牵引电源,中频感应加热电源,电机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

产品角色

输出电压调节

对于带有TRIM或ADJ(可调)输出引脚的模块电源产品,可通过电阻或电位计在一定范围内调节输出电压。一般调整范围为±10%。

对于TRIM输出引脚,将电位计的中心连接到TRIM。在+ S和-S引脚的所有模块中,另一端分别连接到+ S和-S。当没有+ S或-S时,将两端连接到相应主电路的正负输出(+ S连接到+ Vin,-S连接到-Vin),然后可以调节电位器。电位器的电阻通常为5至10kΩ。

对于ADJ输出引脚,它分为输入侧调整和输出侧调整。输出侧调整与TRIM引脚相同。输入侧调整只能增加输出电压。此时,电位计的一端连接到中心,另一端连接到输入端的地。

输入保护电路

通用模块电源产品具有内置滤波器,可满足一般电源应用的要求。如果您需要更高功率的系统,则应增加输入滤波器网络。可以使用LC或π型网络,但应注意选择较小的电感器和较大的电容器。

为了防止输入电源瞬态高压损坏模块电源,建议用户将瞬态吸收二极管连接到输入端子并与保险丝一起使用,以确保模块处于安全输入电压范围内范围。为了降低共模噪声,可以增加Y(Cy)电容,一般选择几个nf高频电容。 R是保险丝,D1是保护二极管,D2是瞬态吸收二极管(P6KE系列)。

遥控开关电路

通过REM端子执行模块电源的遥控开关操作。有两种通用控制方法:

(1)REM连接到-VIN(参考地),远程关闭,需要VREF <0.4V。 REM悬空或连接到+ VIN,模块工作,要求VREM> 1V。

(2)REM连接到VIN,遥控器关闭,要求VREM <1。 0.4V。 REM连接到+ VIN,模块工作,VREM> 1V。 REM被暂停并远程关闭,这被称为“dang-off”( - R)。

如果要将控制与输入隔离,则可以使用光耦合器作为传输控制信号。

操作方法

模块组合

(1)平行扩展。并联连接相同的模块输出可以提高输出能力,但并联模块的输出电压应调整到一致,以确保相对电流共享,同时避免不必要的振荡。对于具有大电流输出的模块,还可以仔细设计引线电阻以实现均流效果。通过这种方法并联连接的模块不应超过两个。同时,如果其中一个模块输出故障,整个系统将无法正常工作。并联扩展连接电路RL是负载。

(2)并行冗余热备份。通过二极管和并联连接输出同一模块可以增强输出能力,提高电力系统的可靠性。原则上,如果使用相应的输出报警电路,则将模块放置在可拆卸的母线上,以便及时更换故障模块。以这种方式并联连接的模块的数量不受限制。 D通常是肖特基二极管。

(3)系列扩展。通过将同一模块的输出端子串联连接,输出电压可以倍增,功率也相应增加,串联输出端子必须连接到二极管进行保护。

振铃备份

振铃发生器主要用于电话交换机以向电话用户提供振铃,并且通常用于偏置状态。偏差可分为正偏差和负偏差。为了提高振铃系统的可靠性,必须备份振铃流。模块电源安装和维护

由于各公司生产的模块电源的类型,系列和规格难以计数,其功能特性和物理特性不同。因此,它们在安装,使用和维护方面有所不同,但应注意以下几个方面。 (1)打开包装后,应仔细检查每个终端的标识是否与随机携带的说明一致,是否符合订单合同中规定的要求。如果不匹配,您应立即联系生产或销售部门讨论治疗方法。

(2)作为安装的第一步,模块电源的金属外壳必须可靠接地以确保安全,但外壳不得错误地连接到中性线。

(3)安装和上电前,检查并检查每个端子的接线,确保输入和输出,交流和直流,单相和多相,正负,电压和电流值正确。消除反转和错误连接的发生。

(4)对于大功率电源,通常有两个或多个“+”输出端子和“ - ”输出端子。实际上,它们属于相同的输出电极,但为了使用户接线方便,它们在内部连接在一起。

(5)模块电源不允许长时间处于满载运行状态。线性电源的使用率应控制在60%以内;开关电源的使用率应控制在80%以内,否则可能导致模块电源早期故障。

(6)对于模块电源,一些制造商通过固定电阻间接地离开固定端子(ADJ)。在使用中,用户必须将电位器与相应的电阻相匹配,以更换固定电阻。然而,应该注意的是,当可调节端子处于打开状态时,绝不允许装载。

(7)为了实现足够的散热,模块电源应安装在空气对流较好的位置。通常,线性电源工作电流高于4A,或当开关电源工作电流高于7A时,应安装强制风冷。此外,模块电源盒上不允许有其他物品。

(8)模块电源一般主要适用于负载电阻。如果要求主要基于电容或电感应用于负载,应事先在订单合同中说明并由工厂订购。

(9)对于高压模块电源,在使用过程和电源故障后10分钟内不得触摸高压危险区域。

(10)模块电源选择原则:一般情况下,应选择较大功率的开关电源,选择较小功率的线性电源。

(11)模块电源不能强行拆除,拆除不良。

注意事项

大功率模块开关电源的损耗主要包括高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路导通损耗。在低压大电流输出应用中,整流损耗和线路导通损耗占很大比例。输出电压越低,输出电流越大,整流损耗和线路导通损耗占模块开关电源总损耗的比例越大。

二极管损耗

件下使用。肖特基二极管具有比其他整流二极管更快的开关速度和更低的正向电压的优点,但肖特基二极管的正向电压降与整流输出电流的大小有关。整流输出电流越大,正向电压降越大,可能高达0.5-0.6V或更高,肖特基二极管的反向漏电流越大。

同步整流技术采用低导通电阻、低耐受电压的小型场效应晶体管(MOSFET)代替普通整流二极管。由于同步整流MOSFET具有导通电阻低(一般只有几个MΩ)、阻塞时漏电流小、开关操作频率高的特点,可大大降低电源整流部分的功耗,并可完成工作。供电系统效率明显提高。改进了,但在具体应用中,同步整流的实现要比二极管整流复杂得多。在开关电源的低压大电流输出应用中,同步整流技术具有良好的应用前景。

磁性元件损失

变压器损耗也是模块开关电源损耗的重要组成部分。变压器损耗主要包括铁损和铜损。铁损是指变压器的材料、形状、工艺结构等相关因素引起的高频损耗。铜损耗是指变压器绕组电路引起的传导损耗。为了减少变压器铁损,应选择高频。磁芯材料具有性能好、损耗低、磁芯结构合理、结构紧凑等特点。

同时,为了减小模块开关电源的体积,我们应该尽量提高模块开关电源的开关工作频率。如果要增加到大约500 kHz或更高,普通磁芯材料的损耗非常大,磁芯容易过热和磁饱和,甚至不能正常工作,所以高频磁芯必须在模块开关电源中选择具有优异磁性的材料。

磁性元件的尺寸与开关操作频率密切相关。在磁性部件允许的工作频率范围内,磁性部件的尺寸与开关工作频率成反比。减少模块开关电源的高频开关变压器和电感器。对于磁性元件的体积,必须增加开关操作频率。

同时,模块开关电源中高频开关变压器绕组的设计也非常重要。高频开关变压器的绕组不仅影响铜损,还涉及高频开关变压器绕组之间的耦合,以及高频开关变压器的铁损。高频开关变压器的影响,设计和制造对模块开关电源的性能有很大影响。

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