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模块电源基础知识解析

模块电源是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器,可为专用集成电路(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) 及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说,这类模块称为负载点 (POL) 电源供应系统或使用点电源供应系统 (PUPS)。由于模块式结构的优点明显,因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。

产品特点

●设计简单。只需一个环亚AG88国际AG旗舰,配上少量分立元件,即可获得电源。●缩短开发周期。模块电源一般备有多种输入、输出选择。用户也可以重复迭加或交叉迭加,构成积木式组合电源,实现多路输入、输出,大大削减了样机开发时间。

●变更灵活。产品设计如需更改,只需转换或并联另一合适环亚AG88国际AG旗舰即可。

●技术要求低。模块电源一般配备标准化前端、高集成环亚AG88国际AG旗舰和其他元件,因此令电源设计更简单。

●模块电源外壳有集热沉、散热器和外壳三位一体的结构形式,实现了模块电源的传导冷却方式,使电源的温度值趋近于最小值。同时,又赋予了模块电源规范性的包装。

●质优可靠。模块电源一般均采用全自动化生产,并配以高科技生产技术,因此品质稳定、可靠。

●用途广泛:模块电源可广泛应用于航空航天、机车舰船、军工兵器、发电配电、邮电通信、冶金矿山、自动控制、家用电器、仪器仪表和科研实验等社会生产和生活的各个领域,尤其是在高可靠和高技术领域发挥着不可替代的重要作用。

产品分类

按现代电力电子的应用领域,环亚把模块电源划分如下:

绿色模块电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了模块电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。 计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色模块电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

高频开关

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离模块电源,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求模块电源实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次模块电源,功率密度有较大幅度的提高。

不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

变频器模块电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

逆变式模块电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压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、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

分布式供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展,各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加,应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

产品作用

输出电压的调节

对有TRIM或ADJ(可调节)输出引脚的模块电源产品,可通过电阻或电位器 对输出电压进行一定范围内的调节,一般调节范围为±10%。

对TRIM输出引脚,将电位器的中心与TRIM相连,在所有+S、-S管脚的模块中,其他两端分别接+S、-S。没有+S、-S时,将两端分别接到相应主路的输出正负极(+S接+Vin,-S接-Vin),然后调节电位器即可。电位器的阻值一般选用5~10kΩ比较合适。

对ADJ输出引脚,分为输入边调节与输出边调节。输出边调节与TRIM引脚的调节方式一样。输入边调节只能上调输出电压,此时将电位器的其中一端与中心相接,另一端接输入端的地。

输入保护电路

一般模块电源产品都有内置滤波器,能满足一般电源应用的要求。如果需要更高要求的电源系统,应增加输入滤波网络。可以采用LC或π型网络,但应注意尽量选择较小的电感和较大的电容。

为了防止输入电源瞬态高压损坏模块电源,建议用户在输入端接瞬态吸收二极管并配合保险丝使用,以确保模块在安全的输入电压范围之内。为了降低共模噪声,可以增加Y(Cy)电容,一般选择几nf高频电容。R为保险丝,D1为保护二极管,D2为瞬态吸收二极管(P6KE系列)。

遥控开关电路

模块电源的遥控开关操作,是通过REM端进行的。一般控制方式有两种:

(1)REM与-VIN(参考地)相连,遥控关断,要求VREF<0.4V。REM悬空或与+VIN相连,模块工作,要求VREM>1V。

(2)REM与VIN相连,遥控关断,要求VREM<0.4V。REM与+VIN相连,模块工作,要求VREM>1V。REM悬空,遥控关断,即所谓“悬空关断”(-R)。

如果控制要与输入端隔离,则可以使用光电耦合器作为传递控制信号。

操作方法

模块组合

(1)并联扩容。将相同模块输出端并联,可使输出能力增强,但并联模块的输出电压要调整得比较一致,以保证相对均流,同时避免不必要的振荡。对有较大电流输出的模块,还可以仔细设计引线电阻,以达到均流效果。用这种方法并联的模块,不宜超过2个。同时,如果其中一块模块输出有故障,整个系统都将不能正常工作。并联扩容连接电路RL为负载。

(2)冗余热备份并联。将相同的模块输出端通过二极管后并联可使输出能力增强,以提高电源系统的可靠性。原则上如果配合相应输出报警电路,将模块放在可以拆卸的母线上,这样,出现故障的模块可以及时更换。用这种方法并联的模块,没有量限制。D一般为肖特基二极管。

(3)串联扩容。将相同模块输出端串联,可使输出电压倍增,功率也相应增加,而串联输出端须接二极管以进行保护。

铃流备份

铃流发生器主要用于电话局交换机给电话用户提供振铃,一般是在偏置状态下使用。偏置可分为正偏置和负偏置。为了提高铃流系统的可靠性,需要对铃流进行备份。模块电源的安装与维护

由于各公司生产的模块电源的类别、系列、规格品种难以数计,故其功能特性和物理特性不尽相同,因此在安装、使用与维护方面亦各有不同,但应在以下几方面引起注意。 (1)打开包装后,应仔细核对各接线端子标识是否与随机所带的说明书相符,同时是否与订货合同约定的要求相符。如果不符,应立即与生产或销售单位联系,商讨处理办法。

(2)作为安装的第一步,必须将模块电源的金属外壳可靠接地,以确保安全,但不可误将外壳接在零线上。

(3)在安装完毕通电之前,应再次检查和核对各接线端子上的连线,确保输入和输出、交流和直流、单相和多相、正极和负极、电压值和电流值等正确无误,杜绝接反、接错现象的发生。

(4)对于大功率电源,一般均有两个或两个以上的“+”输出端子和“-”输出端子。实际上,它们同属于一个输出电极,只不过为了使用户接线方便,它们内部是并接在一起。

(5)模块电源不允许长期处于满负荷工作状态。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,否则有可能造成模块电源人为的早期失效。

(6)对于模块电源,有些制造商出厂时在于可调端子(ADJ)间接有固定电阻。使用时须用户自配相应阻值的电位器,以取代该固定电阻。但要注意,当可调端子间处于开路状态时,决不允许加载。

(7)为达到充份散热效果,模块电源宜安装在空气对流较好的位置。一般要求线性电源工作电流在4A以上,或开关电源工作电流在7A以上时,应加装强制风冷。此外,在模块电源外壳上不允许放置其他物品。

(8)模块电源一般适用于以阻性为主的负载,若需要应用在以容性为主或感性为主的负载时,应事先在订货合同中加以说明,由厂方订做。

(9)对于高压模块电源,在使用过程及停电后10分钟之内,均不可触及高压危险区。

(10)模块电源选购原则:一般功率较大的宜选择开关电源,功率较小的选择线性电源。

(11)模块电源不可强行拆卸,强拆即坏。

注意事项

大功率模块开关电源的损耗主要有高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗4部分。而在低电压大电流输出的应用场合,整流损耗和线路传导损耗占有较大的比重,输出电压越低,输出电流越大,则整流损耗和线路传导损耗占模块开关电源总损耗的比重越大。

二极管损耗

在传统的整流中采用二极管整流,而在低电压输出条件下一般采用肖特基二极管整流,肖特基二极管和其他整流二极管相比具有开关速度快,正向电压降低的优点,但是肖特基二极管的正向电压降和整流输出电流的大小有关,整流输出电流越大则正向电压降越大,有可能高达0.5~0.6V或更大,并且肖特基二极管的反向漏电流较大。

而同步整流技术利用导通电阻小,低耐电压的场效应管(MOSFET)来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mΩ)、阻断时漏电流小、开关工作频率高的特点,可以极大的减小电源整流部分的功耗,使电源系统的工作效率明显得到提高,但是在具体应用中同步整流的实现要比二极管整流要复杂些。在开关电源的低电压大电流输出应用场合,同步整流技术有着很好的应用前景。

磁性元器件的损耗

变压器损耗也是模块开关电源损耗的重要部分,变压器损耗主要有铁损和铜损。铁损是指由由变压器的材料、形状、工艺结构等有关因素而引起的高频损耗,铜损是指由变压器绕组线路而引起的传导损耗,为了减小变压器的铁损,应选择高频特性好、高频损耗小、磁芯结构形状合理、结构紧凑的磁芯材料。

同时为了减小模块开关电源的体积,应尽力提高模块开关电源的开关工作频率,如要提高到500kHz左右或更高,普通磁芯材料的损耗很大,磁芯很容易过热而磁饱和,以至无法正常工作,所以在模块开关电源中必须选用磁特性优良的高频磁芯材料。

磁性元器件的尺寸大小和开关工作频率有密切关系,在磁性元器件允许的工作频率范围内,磁性元器件的尺寸和开关工作频率成反比,要想减小模块开关电源高频开关变压器和电感等磁性元器件的体积,需提高开关工作频率。

同时,模块开关电源中高频开关变压器绕组的设计也很重要,高频开关变压器的绕组不仅对铜损有影响,而且关系到高频开关变压器绕组间的耦合,对高频开关变压器的铁损也有影响,高频开关变压器的设计和制作对模块开关电源的工作性能有很大的影响。