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    2018-1


    重庆希诺达

    高效节能开关电源的设计要点

    低碳生活,对于普通人来说是一种生活态度,同时也成为人们推进潮流的新方式。它给我们提出的是一个“愿不愿意和大家共同创造低碳生活”的问题。 所以我们应该积极提倡并去实践低碳生活,就要从注意节电、节气、熄灯一小时等这些点滴做起。有人买运输里程很短的商品,有人坚持爬楼梯,形形色色,有的很有趣,有的不免有些麻烦。低碳生活可以理解为:减少二氧化碳的排放,就是低能量、低消耗、低开支的生活。但前提是在不降低生活质量的情况下,尽其所能的节能减排。“节能减排”,不仅是当今社会的流行语,更是关系到人类未来的战略选择。

      随着现代科学技术的发展,器件的性能提高,特别是节能型电源芯片如雨后春笋般涌现,加上电路设计的成熟,要设计效率高、待机功耗小的节能型开关电源已是不太难的事情,设计节能型开关电源正是适应了节能减排的需求。

      开关电源的发展史

      早期的开关电源由于技术不太成熟、器件性能的局限性,一些电源制造商的参数做得不太好,像EMC电磁兼容性,难过关、待机功耗较大、效率不太高等。因此减小开关电源的待机功耗、提高开关电源的效率是大有潜力可挖的,是全球电源制造业共同关注的问题。而所谓的EMC(Electro Magnetic Compatibility),是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响,在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC学科以研究和解决这一问题为宗旨,主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术,并在此基础上根据技术经济最合理的原则,对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定,使处于同一电磁环境的设备都是兼容的,同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。

      绿色开关电源的要求

      绿色开关电源的主要内容是效率高,待机功耗小。对电源制造商的要求很高,36W的效率要求大于83%,待机功耗要小于0.5W。现在的电源芯片供应商提供的一般都是绿色电源芯片,待机功耗一般都会很小。但是,效率高除了与芯片有关外,还与其它器件有流+反向漏电流Idss×反压,用6N60加散热器可满足要求。

      二次整流管工作在高频脉冲状态下,在12V3A输出时,要求工作耐压大于输出电压的4倍,工作电流大于输出电流的3倍,用耐压60V,工作电流为16A的SB1660肖特基二极管可满足要求,但一定要加散热器。

      电源芯片的功耗越小越好,因为它除了影响整机效率和待机功耗外,还涉及整机的工作稳定性,其功耗越大,温升越高,工作越不稳定。

      开关变压器的设计是设计开关电源的核心,要有高深的理论知识和多年的经验沉淀,优秀的开关电源设计工程师在选择高品质的磁芯、结合先进的绕制工艺,能设计出效率高于97%的开关变压器。

      由于二次整流管在工作时会产生尖脉冲,在输出中会叠加杂波,并且还会辐射电磁波而使EMC难过关,故要在二极管两端并联尖脉冲吸收网络R8与C8。

      阻波电感L2能使输出纹波减小,一般是用漆包线在6毫米粗的磁棒上绕8到16圈。要注意,由于要通过大电流,故漆包线要粗,圈数不要太多,以免产生过大的压降而增大损耗。

      DC输出线在电源适配器中的价格比重较大,不少生产商会降低其载流量而减少成本,结果会使效率得不到保证。

      开关电源设计工程师要有深厚的理论功底和丰富的设计经验以及注意设计细节等才能达到美国加州能源之星法案Ⅳ等级的设计要求。然而,符合“能源之星”的绿色开关电源不一定是优质电源,还要求其它参数符合,绿色开关电源只是在原来的开关电源参数上提高了有关能效的参数标准而已。

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    重庆希诺达

    模块电源的应用过程

    模块电源是可以直接安装在印刷电路板上使用的电源模块,它可以用于数字或模拟负载的供电应用场合。

      电源模块化是开关电源的发展趋势,其可以提高电源系统的工作可靠性、可用性、使用方便性,缩短电源的维修和维护时间,得到了越来越广泛的应用。

     

      而与模块电源相关的技术包括集成电路的制造、封装,高频功率变换、数字化控制、全谐振高频软开关、同步整流、智能化控制、电磁兼容、功率因数校正、电源保护控制、并联均流控制、脉宽调制等技术。

     

      随着半导体工艺和封装技术的改进,高频软开关技术的大量应用,模块电源的功率密度越做越高,模块电源的功率变换效率也越来越高,体积越来越小,出现了芯片级的模块电源。

     

      世界电源市场的分布

     

      1 按品牌划分

     

      据2007年在美国举办的APEC(应用功率电子会议)会议给出的有关数据指出,全球电源市场按品牌划分

     

      ①有6家台湾企业,2家日本企业(含TDK-Lambda),2家美国企业,1家欧洲企业名列前位;

     

      ②第15大电源企业的年收入约为200M$;

     

      ③目前中国大陆还没有年收入大于50M$的电源企业。

     

      2 按功率半导体器件市场分布划分

     

      全球功率半导体器件市场分布

     

      ①有4家美国厂商名列前位;

     

      ②20强企业中没有台湾企业和中国大陆企业参与;

     

      ③从全球的角度而言台湾企业(如MINMAX,Panjit,TaiwanSemi,DCComponents)的规模还是偏小;

     

      ④目前中国大陆企业的规模还是偏小。(如上海多商电子)

     

      模块开关电源设计中的挑战

     

      1 提高开关电源的工作效率

     

      ①降低功率开关管的开关损耗;

     

      ②最大限度地降低磁性元器件的功率损耗(例如,开关变压器的磁芯损耗、近场效应损耗、线圈损耗和涡流损耗等)。

     

      2 提高模块开关电源系统的工作可靠性

     

      3 降低模块开关电源系统的造价

     

      4 更高的功率密度

     

      提高模块开关电源产品的功率密度,可以从以下三个方面入手。一是采用先进的电路拓扑和功率变换技术,提高模块开关电源产品的工作效率,降低模块开关电源产品的损耗;二是减小模块开关电源产品的各部件体积并采用紧凑型工艺结构;三是改进模块开关电源产品的热设计,使在高功率密度条件下模块开关电源产品能很好的散热。

     

      5 更快的控制环路响应等

     

      模块开关电源的优点和主要技术指标

     

      1 模块开关电源主要有以下优点

     

      ①使用灵活、简单和方便;

     

      ②缩短了电源的开发周期;

     

      ③模块开关电源由于采用全自动化生产和高科技生产技术,因此模块开关电源的品质稳定、工作可靠;

     

      ④模块开关电源的应用范围广,可广泛应用于电信、自动控制、仪器仪表、发电配电、家用电器、冶金矿山、机车、舰船、军工兵器、航空航天和科学实验等领域,尤其在高可靠和高技术领域模块开关电源发挥着的重要作用。

     

      模块开关电源的常用技术指标

     

      模块开关电源常用技术指标有最大输出功率、输出电压精度、源电压效应、负载效应、温度系数、输出纹波与噪声、输入反射纹波电流、输入共模噪声电流、输出电压调节范围、保护特性及工作效率等。

     

    当今模块开关电源设计面临的挑战

     

      1 功率密度和模块开关电源的散热

     

      2 低电压、大电流输出

     

      3 更为复杂的电源管理需求

     

      ①电源的排序/跟踪;

     

      ②输出电压范围;

     

      ③电源的监控;

     

      ④电源系统的故障监测、响应和保护等。

     

      导致模块开关电源工作效率低的主要因素

     

      模块开关电源的损耗

     

      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。

     

      (2)整流二极管的损耗与同步整流

     

      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。

     

      (3)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。

     

      模块开关电源的发展趋势

     

      模块开关电源的以下几个发展动向值得注意。

     

      ●功率密度越来越高,低电压(例如,输出电压低于3.3V或更低)、大电流输出。同时模块开关电源的瞬时负载动态响应特性要快;

     

      ●使用的高可靠性,工作安全性要求越来越高;

     

      ●工作效率越来越高(例如美国能源之星的有关要求);

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    重庆希诺达

    关于电源模块散热设计

    模块电源在工作时存在一定的自身功率损耗,也就是说存在着一个转换效率问题。转换效率的高低与输入电压、 输入电压范围、工作温度、输出电压、输出功率有关,转换效率直接影响散热系统的设计。

    1. 转换效率和自身损耗的计算 我公司产品的转换效率在技术手册上可以查到。特殊定制的产品,可来电与销售部技术支持咨询,用户也可通过 实验求出转换效率。

    计算如下: ? = Pout/Pin  ? — 转换效率 Pout — 输出功率 Pin — 输入功率 知道模块的效率就可求出电源模块的自身损耗。 即 Pd=Pin-Pout=Pout/?-Pout Pd — 自身损耗

    2. 温升的计算 在我公司手册里每一种产品均提供了该型号电源模块的热阻θca,其单位为°C/W。知道热阻θca和自损Pd就可以 准确的求出电源模块的温升ΔT。 计算方法:ΔT = Pd • θca 举例说明:己知我公司产品XX型号模块,其输出参数: Vin输入电压 = 48VDC Vo输出电压 = 12VDC lo输出电流 = 4A Po功率 = 48W ?变换效率 = 89% (查手册) 先求出自身损耗Pd Pd=Pout/?-Pout = 48/0.89-48≈6W 查我公司产品手册,假设该型号的θca = 5°C/W, 代入ΔT = Pd • θca = 6W • 5°C/W = 30°C。 由此我们可以得出该模块正常工作时其温升ΔT = 30°C。 温升ΔT是一个很重要的参数,我们知道了温升ΔT和环境温度Ta就可以很方便算出工作壳温TC。 公式为:Tc = Ta+ΔT Tc — 壳温 Ta — 环境温度 ΔT — 温升 如环境温度Ta = 20°C,那么壳温就是 Tc = 20°C+30°C = 50°C 此时再查找我公司产品手册中规定的该模块允许的窩壳温Tcmax,常规工艺模块Tcmax高为85°C,铝基板工 艺模块Tcmax高为100°C,我们计算的壳温Tc=50°C,远低于高允许值,满足Tc<<Tcmax,可以正常使用。在这里 用户还应注意 一个重要的问题:根捶可靠性的计算方法,工作时温度越低可靠性越高,有数据表明电源模块的温度上 升10°C,MTBF就会下降20%,客户根据这个原则,工作时模块的温度应尽可能的低。 手册中查到的高壳温Tcmax是极限值,厂家保证在高温度Tcmax下可以正常工作,但MTBF要降低,这点用 户一定要注意!把温度降下来有多种途径,采用不同的方法会直接影响热阻θca的大小。 安装方式上一般安装和加装散热器安装,加装散热器应考虑不同的物理面积。 散热器的大小影响θca的大小,有关散热器的参数可参照散热器的生产厂家的数据,我公司的电源产品一般均配 有散热器,个别产品备有大小不同规格的散热器供用户选择,凡我公司所配的散热器均标明热阻θca。空气流速为米 每秒M/S,也有用英制单位线性英尺毎分钟LFM。 换算关系近似为: 200LFM=1M/S 凡是我公司配套的散热器均有数据,用户可根据带有散热器的θca热阻代入公式即可算出模块工作时的Tc。 如果用户采用强迫风冷,可根据不同风速M/S下的θca值代入公式,即可得到该风速下的温升ΔT。采用强迫风 冷,增加空气的流速会带来明显的效果,可以大大缩小散热器的物理尺寸,甚至可以不要散热器。但风扇带来体积的 增加和明显的风噪,风扇本身可靠性的MTBF还会直接影响整个电源系统的MTBF,用户要均衡考虑。 安装散热器应注意空气对流的方向问题。

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    高压输入电源的应用

    高压600V输入的电源模块,希望用户采用如下措施:

    1. 滤波电容的接入方法见图



    说明: 如图所示,输入端外接的C1,C2(150uF/450V)电解电容必须使用高品质的长寿命电解电容,以避免由子C1,C2 的损坏而导致电源模块的损坏。

    2. 高压输入VD端子的应用 高压输入JN系列电源,设有VD子,用户可利用V子,接成输入浪涌电流抑制电路,可以防止浪涌电流(见图十四), 既提高系统的可靠性,又使损耗降至低。

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    电源的输入保护

    根据模块电源实际的工作环境及用户对可靠性的要求,可以选择输入保护电路,以提高电源系统的可靠性,输入 保护电路由保险丝、反极性保护二极管、输入电容、瞬态抑制二极管等组成,常用的输入保护电路如图所示:

     

     


    1 保险丝 设置在电源模块输入端的保险丝提供安全保护,一般保险丝规格可选取1.5-2倍的额定输入电流,如果模块工作在 一个相当宽电压范围,保险丝应该选择2倍的大输入电流。是否选择一个快速溶断的保险丝取决于具体的应用。一 般来说一个普通的保险丝能提供足够的保护,但在热备份的应用中,我们推荐使用快速保险丝,以防失效的模块将输 入母线短路。

    2. 输入电容 在模块的输入端应加装一只电解电容,这个电容有两个作用: ① 吸收模块输入端的电压尖峰 ② 在输入母线上出现瞬间电压跌落,给模块提供一定时间的维持电压。

    3. 反极性保护 为了防止模块在输入极性接错,在输入端安装一只二极管,这只二极管可串在输入回路(如图十一接法),对低压 输入电源,可并联在输入回路(如图二接法)。如果使用瞬态抑制二极管作为瞬态过压保护,则省略串敢二极管,同样 可起到反极性保护的作用。

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    开关稳压电源的分类介绍

    开关稳压电源的分类介绍

     

      开关稳压电源的种类很多,但基本电路都由线性滤波器、整流滤波器、直流/直流(DC/DC)变换器和稳压控制电路构成,图1一2是某开关稳压电源的构成框图。

      220V/50H:的交流电压经过线性滤波器,滤除电网中的脉冲干扰后进人整流滤波电路,输出直流高压加到DC/DC变换器进行功率变换,向负载输出符合要求的直流电压。稳压控制电路包括取样、比较放大,基准和控制调整电路等,当某种原因使输人电压不稳时,通过稳压控制电路的工作,能自动调整直流/直流变换器中开关元件的通断时间比,达到自动调整输出电压的目的,使输出电压保持稳定。

      直流/直流变换器是将一种直流电压转换为另一种直流电压的变换电路。通常各种电子设备需要的电源电压不相同·,利用直流/直流变换器,就可以把整流器输出的直流电压变换为电子设备需要的直流电压。

      与线性稳压电源相比,开关电源的主要特点有:

      (1)效率高,功耗小。开关电源的调整管是工作在开关状态,因此调整管功耗极小,效率在80%以上。

      (2)稳压范围宽。线性稳压电源在交流输人电压低于160V时,输出电压便不能稳定,输入交流电压偏高时则效率会降低。而开关电源交流输入电压在130一  260V范围内变化时都能达到很好的稳压效果。

      (3)稳定性和可靠性高。功耗小使得电子设备内温升也低,减小了周围元件的高温损坏率,使设备的热稳定性和可靠性极大地提高。

      (4)体积小,重量轻。开关电源可将电网输人的交流电压直接整流,再通过高频变压器获得各种不同交流电压,省去了笨重的工频变压器,使电源的重量大大减轻。此外,由于开关电源的工作频率较高,滤波电容、电感可用较小数值的元件,也可使体积减小,重量减轻。

      (5)安全可靠。开关电源可以方便地设计自动保护电路。当电路发生故障或短路时,能自动切断电源,防止故障范围扩大。

      开关电源的主要问题是电路比较复杂,输出纹波电压较高,瞬态响应差等。目前,世界各国正在大力研制开发新型开关电源,以适应各种电子设备的小型化、高效率化等需要。

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    开关稳压电源的分类介绍

    开关稳压电源的分类介绍

     

      开关稳压电源的种类很多,但基本电路都由线性滤波器、整流滤波器、直流/直流(DC/DC)变换器和稳压控制电路构成,图1一2是某开关稳压电源的构成框图。

      220V/50H:的交流电压经过线性滤波器,滤除电网中的脉冲干扰后进人整流滤波电路,输出直流高压加到DC/DC变换器进行功率变换,向负载输出符合要求的直流电压。稳压控制电路包括取样、比较放大,基准和控制调整电路等,当某种原因使输人电压不稳时,通过稳压控制电路的工作,能自动调整直流/直流变换器中开关元件的通断时间比,达到自动调整输出电压的目的,使输出电压保持稳定。

      直流/直流变换器是将一种直流电压转换为另一种直流电压的变换电路。通常各种电子设备需要的电源电压不相同·,利用直流/直流变换器,就可以把整流器输出的直流电压变换为电子设备需要的直流电压。

      与线性稳压电源相比,开关电源的主要特点有:

      (1)效率高,功耗小。开关电源的调整管是工作在开关状态,因此调整管功耗极小,效率在80%以上。

      (2)稳压范围宽。线性稳压电源在交流输人电压低于160V时,输出电压便不能稳定,输入交流电压偏高时则效率会降低。而开关电源交流输入电压在130一  260V范围内变化时都能达到很好的稳压效果。

      (3)稳定性和可靠性高。功耗小使得电子设备内温升也低,减小了周围元件的高温损坏率,使设备的热稳定性和可靠性极大地提高。

      (4)体积小,重量轻。开关电源可将电网输人的交流电压直接整流,再通过高频变压器获得各种不同交流电压,省去了笨重的工频变压器,使电源的重量大大减轻。此外,由于开关电源的工作频率较高,滤波电容、电感可用较小数值的元件,也可使体积减小,重量减轻。

      (5)安全可靠。开关电源可以方便地设计自动保护电路。当电路发生故障或短路时,能自动切断电源,防止故障范围扩大。

      开关电源的主要问题是电路比较复杂,输出纹波电压较高,瞬态响应差等。目前,世界各国正在大力研制开发新型开关电源,以适应各种电子设备的小型化、高效率化等需要。

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