B+R電源模塊X20BB82整單

電源模塊

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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(diǎn)是可為集成電路（ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱(chēng)為負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車(chē)電子、航空航天等。

中文名

電源模塊

外文名

Power module

目錄

1. 1 概述

2. 2 直流斬波

3. 3 變換

4. 4 電流選擇

5. 5 保護(hù)電路

1. 6 幾大指標(biāo)

2. 7 分類(lèi)

3. ? 綠色電源模塊

4. ? 開(kāi)關(guān)電源模塊

5. ? 變換器

6. ? UPS

1. ? 變頻器電源

2. ? 焊機(jī)電源模塊

3. ? 直流電源模塊

4. ? 濾波器

5. ? 供電系統(tǒng)

6. 8 設(shè)計(jì)方法

概述

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一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱(chēng)為負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車(chē)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。模塊電源具有隔離作用，抗干擾能力強(qiáng)，自帶保護(hù)功能，便于集成。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開(kāi)關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來(lái)越大,轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高,應(yīng)用也越來(lái)越簡(jiǎn)單。

人們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)的電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類(lèi)，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶(hù)的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對(duì)兩類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述

直流斬波

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DC/DC變換是將可變的直流電壓變換成固定的直流電壓，也稱(chēng)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DC-DC變換器電路，隔離型DC-DC變換器有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。

當(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó)VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器，其大輸出功率有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TDK-Lambda公司醉新推出的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列，其開(kāi)關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個(gè)電路效率提高到90%。

變換

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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(fù)載的稱(chēng)為“整流"，功率流由負(fù)載返回電源的稱(chēng)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(duì)較大的濾波電容器是*的，同時(shí)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(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開(kāi)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(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿(mǎn)意程度。

AC/DC變換按電路的接線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源的選用

開(kāi)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(diǎn)（多級(jí)串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過(guò)，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線(xiàn)性電源相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.5～1）%。開(kāi)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(diǎn)：

電流選擇

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因開(kāi)關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的大吸收電流，以使被選用的開(kāi)關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為：

Is=KIf

式中：Is—開(kāi)關(guān)電源的額定輸出電流；

If—用電設(shè)備的大吸收電流；

K—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8；

保護(hù)電路

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開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)手選保護(hù)功能齊備的開(kāi)關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)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(kāi)關(guān)電源。

幾大指標(biāo)

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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(jìn)行電路上的分離。有以下幾個(gè)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(hào)特性相差太大，比如用弱信號(hào)控制強(qiáng)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(diǎn)是可為集成電路（ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱(chēng)為負(fù)載點(diǎn)(POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)(PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多， 因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、 微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車(chē)電子、航空航天等。

分類(lèi)

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按現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域，我們把電源模塊劃分如下：

綠色電源模塊

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源模塊技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開(kāi)關(guān)電源,*完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)入了電子、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模塊。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境害的個(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(guó)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)的外圍設(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(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

開(kāi)關(guān)電源模塊

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(kāi)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(chēng)為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱(chēng)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(chēng)值為48V的直流電源。當(dāng)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(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)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(kāi)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(lèi)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(xiàn)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。

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)用于軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的級(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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

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(chǎng)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(kāi)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(guò)電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)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(xiàn)式UPS的大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

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(guò)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)級(jí)調(diào)速。

上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司醉先將交流變頻調(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(guó)內(nèi)于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成高潮。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。

焊機(jī)電源模塊

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(kāi)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(wèn)題成為關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶(hù)關(guān)心的問(wèn)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(guò)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,解決了當(dāng)前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國(guó)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。

直流電源模塊

大功率開(kāi)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(kāi)始,日本的一些公司開(kāi)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(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國(guó)西門(mén)子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件,將電源的開(kāi)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(guó)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(kāi)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,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。

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(kāi)關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開(kāi)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。

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?利用醉新理論和技術(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(kāi)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(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開(kāi)。自八十年代后期開(kāi)始,這一方向已成為電力電子學(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)的為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車(chē)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。

設(shè)計(jì)方法

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電源的電磁干擾水平是設(shè)計(jì)中難的部分，設(shè)計(jì)人員能做的多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。由于直流到直流的轉(zhuǎn)換器很常用，所以硬件工程師或多或少都會(huì)接觸到相關(guān)的工作，本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案 [1]  。

電源設(shè)計(jì)中即使是普通的直流到直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，尤其在高功率電源設(shè)計(jì)中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設(shè)計(jì)的魯棒性，以符合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制，當(dāng)然同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的進(jìn)度。另外，出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮，電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過(guò)，電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中難精確預(yù)計(jì)的項(xiàng)目。有些人甚至認(rèn)為這簡(jiǎn)直是不可能的，設(shè)計(jì)人員能做的多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。

盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計(jì)，但我們?cè)诖酥魂P(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗膽?yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會(huì)接觸到與它相關(guān)的工作，說(shuō)不定什么時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。文中我們將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器做例子，如圖1所示。

普通的降壓轉(zhuǎn)換器

圖1.普通的降壓轉(zhuǎn)換器

在頻域內(nèi)測(cè)量輻射和傳導(dǎo)電磁干擾，這就是對(duì)已知波形做傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，本文中我們著重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，引起電磁干擾的主要開(kāi)關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的，也就是每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管在其各自導(dǎo)通周期內(nèi)從漏極到源極的電流di/dt。圖2所示的電流波形(Q和Q2on)不是很規(guī)則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因?yàn)閷?dǎo)體電流的過(guò)渡相對(duì)較慢，所以可以應(yīng)用Henry Ott經(jīng)典著作《電子系統(tǒng)中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)類(lèi)似的波形，其上升和下降時(shí)間會(huì)直接影響諧波振幅或傅里葉系數(shù)(In)。

Q1和Q2的波形

圖2.Q1和Q2的波形

In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T (1)

其中，n是諧波級(jí)次，T是周期，I是波形的峰值電流強(qiáng)度，d是占空比，而tr是tr或tf的小值。

在實(shí)際應(yīng)用中，極有可能會(huì)同時(shí)遇到奇次和偶次諧波發(fā)射。如果只產(chǎn)生奇次諧波，那么波形的占空比必須精確為50%。而實(shí)際情況中極少有這樣的占空比精度。

諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測(cè)量漏源電壓VDS的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf，或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di/dt 時(shí)，可以很明顯看到這一點(diǎn)。這也表示，我們可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)減緩Q1或Q2的通斷速度來(lái)降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)時(shí)間的確對(duì)頻率高于 f=1/πtr的諧波有很大影響。不過(guò)，此時(shí)必須在增加散熱和降低損耗間進(jìn)行折中。盡管如此，對(duì)這些參數(shù)加以控制仍是一個(gè)好方法，它有助于在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過(guò)增加一個(gè)小阻值電阻(通常小于5Ω)實(shí)現(xiàn)，該電阻與Q1和Q2的柵極串聯(lián)即可控制tr和tf，你也可以給柵極電阻串聯(lián)一個(gè) “關(guān)斷二極管"來(lái)獨(dú)立控制過(guò)渡時(shí)間tr或tf(見(jiàn)圖3)。這其實(shí)是一個(gè)迭代過(guò)程，甚至連經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員都使用這種方法。我們的終目標(biāo)是通過(guò)放慢晶體管的通斷速度，使電磁干擾降低至可接受的水平，同時(shí)保證其溫度足夠低以確保穩(wěn)定性。

用關(guān)聯(lián)二極管來(lái)控制過(guò)渡時(shí)間

圖3.用關(guān)聯(lián)二極管來(lái)控制過(guò)渡時(shí)間

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的物理回路面積對(duì)于控制電磁干擾也非常重要。通常，出于PCB面積的考慮，設(shè)計(jì)者都希望結(jié)構(gòu)越緊湊越好，但是許多設(shè)計(jì)人員并不知道哪部分布局對(duì)電磁干擾的影響大?；氐街暗慕祲悍€(wěn)壓器例子上，該例中有兩個(gè)回路節(jié)點(diǎn)(如圖4和圖5所示)，它們的尺寸會(huì)直接影響到電磁干擾水平。

降壓穩(wěn)壓器模型1

圖4.降壓穩(wěn)壓器模型1

降壓穩(wěn)壓器模型2

圖5.降壓穩(wěn)壓器模型2

Ott關(guān)于不同模式電磁干擾水平的公式(2)示意了回路面積對(duì)電路電磁干擾水平產(chǎn)生的直接線(xiàn)性影響。

E=263×10-16(f2AI)(1/r) (2)

輻射場(chǎng)正比于下列參數(shù)：涉及的諧波頻率(f，單位Hz)、回路面積(A，單位m2)、電流(I)和測(cè)量距離(r，單位m)。

此概念可以推廣到所有利用梯形波形進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的場(chǎng)合，不過(guò)本文僅討論電源設(shè)計(jì)。參考圖4中的交流模型，研究其回路電流流動(dòng)情況：起點(diǎn)為輸入電容器，然后在Q1導(dǎo)通期間流向Q1，再通過(guò)L1進(jìn)入輸出電容器，后返回輸入電容器中。

當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時(shí)，就形成了第二個(gè)回路。之后存儲(chǔ)在L1內(nèi)的能量流經(jīng)輸出電容器和Q2，如圖5所示。這些回路面積控制對(duì)于降低電磁干擾是很重要的，在PCB走線(xiàn)布線(xiàn)時(shí)就要預(yù)先考慮清器件的布局問(wèn)題。當(dāng)然，回路面積能做到多小也是有實(shí)際限制的。

從公式2可以看出，減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積會(huì)有效降低電磁干擾水平。如果回路面積減小為原來(lái)的3倍，電磁干擾會(huì)降低9.5dB，如果減小為原來(lái)的10倍，則會(huì)降低20 dB。設(shè)計(jì)時(shí)，醉好從小化圖4和圖5所示的兩個(gè)回路節(jié)點(diǎn)的回路面積著手，細(xì)致考慮器件的布局問(wèn)題，同時(shí)注意銅線(xiàn)連接問(wèn)題。盡量避免同時(shí)使用PCB的兩面，因?yàn)橥讜?huì)使電感顯著增高，進(jìn)而帶來(lái)其他問(wèn)題。

恰當(dāng)放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前，我所在的公司曾把我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)讓給國(guó)外制造商。結(jié)果，我的工作職責(zé)也發(fā)生了很大變化，我成了一名顧問(wèn)，幫助電源設(shè)計(jì)新手解決文中提到的一系列需要權(quán)衡的事宜及其他眾多問(wèn)題。這里有一個(gè)含有集成鎮(zhèn)流器的離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)例子：設(shè)計(jì)人員希望降低終功率級(jí)中的電磁干擾。我是簡(jiǎn)單地將高頻輸出電容器移動(dòng)到更靠近輸出級(jí)的位置，其回路面積就大約只剩原來(lái)的一半，而電磁干擾就降低了約 6dB。而這位設(shè)計(jì)者顯然不太懂得其中的道理，他稱(chēng)那個(gè)電容為“魔法帽子"，而事實(shí)上我們只是減小了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積。

還有一點(diǎn)至重要的，新改進(jìn)的電路產(chǎn)生的問(wèn)題可能比原先的還要嚴(yán)重。換句話(huà)說(shuō)，盡管延長(zhǎng)過(guò)渡時(shí)間可以減少電磁干擾，但其引起的熱效應(yīng)也隨之成為重要的問(wèn)題。有一種控制電磁干擾的方法是用全集成電源模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流到直流轉(zhuǎn)換器。電源模塊是含有全集成功率晶體管和電感的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它和線(xiàn)性穩(wěn)壓器一樣可以很輕松地融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。模塊開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積遠(yuǎn)小于相似尺寸的穩(wěn)壓器或控制器，電源模塊并不是新生事物，它的面世已經(jīng)有一段時(shí)間了，但是直到現(xiàn)在，由于一系列問(wèn)題，模塊仍法有效散熱，且一經(jīng)安裝后就法更改。

B+R電源模塊X20BB82整單

STAHL    9440/15-01-11
JENAER    23S31-0650-805J7-52(200)
TURCK    BI15-CP40-LIU
TURCK    RKC4.4T-10-RSC4.4T/TXL
EUROTEC    EBA2I 803020-H 10-30VDC
END ARMATUREN    EA300124 G3/4i   DN20  PN40 Edelstahl 1.4408  0.25mm
HASKEL    AW-35
GE    PTX-5072-TA-A3-CB-HO-PH
BALLUFF    BTL5-P-3800-2
HYDAC    0500 R 005 BN4HC
NORGREN    M/20154/172/MDZ83J
KUEBLER    8.5823.1831.1024  增量型編碼器
TURCK    BI1-EG05-AP6X-V1331
AMK    Nr.C29380 DV7-5-4-100
HYDAC    0100 DN 010 BN/HC F/BH-A
SMW    5303888
TWK    CRD 66-4096 C2 Z01
MTS    RHM02000MD531P102
SMW    012973
MTS    RHM0090MP101S1G6100
CONTROL+CONCEPTS    可控硅電源控制器 1020-24-20-4/20MA
ELCIS    I/4610-1000-1828-BZ-B-VM-R-0.5
KUBLER    8.5820.3832.1024
HUBNER    FGHJ40K-2048G-90G-NG/20P;S/N:480697
HYDAC    HDA4744-A-600-000
APT    ZY4 CONTACT:3A 240VAC
HYDAC    0330D010BH4HC
BEFELD    befeld  systeme USW2.2   90mv
HEMOMATIK    SPE CIAL HMCHIC=300 T70C+2F-PA PAC A1
MTS    GHS0105MD602V0
HYDAC    ZBM14
BURKERT    655564 DN100
EPE    F4.2GW0200P
MOOG    J761-004
AB    20DC5P0A0EYNANANE 400V 1.5KW
BELIMO    H7200W-SP+RV24A-MP-TPC  Kvs=335.17m‘3’/h PN  16 differential   pressure  10bar
STUWE    IS1-70x110
KUBLER    8.5858.2231.3112
VOLVO    3803637
VICKERS    PVQ20-B2R-SS1S21CM-712（PEDROLLO）
VAHLE    168088
SINGLE Temperiertec    R8300-01-SI1-9-6
EMG    DMC59-R3-80
GASTOR    GD/HW-1212A-D，EM  檢測(cè)氣體C2H2 DC24V 0-100%LEL
POLYLUX    AUTS 10050754 160K 380V 420V 3P
PAULY    PP2441qE/308/R153 230VAC/R/z3
VAHLE    150140
REXROTH    DBDS10P10/315
WENGLOR    S56-5M
P+F`    NBN8-18GM40-Z0
IGUS    CF270.UL.100.04.D
SOMMER AUTOMATIC    PMK 25-2
HYDAC    ETS3228-5-100-000
TWK    ED-P3L4-01
MOOG    072-1202-10
MURR    Input:DC24V/Output:AC250V(6A)Max
WEIDMULLER    DRM270024L
KNOLL    KTS40-80-F-G/380V-11KW 不含電機(jī)，桶架，聯(lián)軸器，安裝板
DELTA    Z4-JC-R 24DC
BUHLER    EBM3003 EKP-84265-810
DELTA DELAGE    法蘭單向閥AR3.40.A1B1.N.T6(
STAUBLI    N00342806
GEMU    695 25D 13712
EMG    DAU16
FLUIDTEAM    ZEPDR3-06-115-1-24V
PARKER    (BH1-61-BSPP)
HYDAC    VM 5 D.0/-L220.22/07
BEI IDEACOD    GHK508293R/1024  No.K0039
HYDAC    ZBM300
PIMATIC    PC 02-1/4 G 1/4
EMG    DAU16
JM CONCEPT    TELIS9200U1
FLOW-MON    FML-800-CIK-LP-3EEW-1CS-24F15052-02
KUBLER    8.3720.5631.360
BENDER    IRDH 265-4(230Vac)
END ARMATUREN    EA300127 G1 1/2i  DN40  PN40 Edelstahl 1.4408  0.25mm
JENAER    17S19-0230-00000-AA
ITT CANNON    0632 ITTCannon CA120001=54
BRINKMANN    TYPE:TS 22/110-X+191  No.0107---018057-37979001
HYDAC    EDS345-1-250-000
SANDVIK    346 000210N2
HYDAC    TLH0160D003B/HC
HYDAC    HDA3845-A-250-000
MTS    RHS1130MD63AP102
MTS    RHM0310MD701S2B3100
SIPOS    2SA5031-5EE00-4BA3+GK14.6(6：1)
HYDAC    HDA3845-A-400-Y00
MTS    RHM1260MP051S1B6100
PARKER    D3W20HVJW30
MTS    GHM0500MR052A0
SWAC    MC2 930-H-10B6
HYDAC    WSM06020Y-01M-C-N-24DG
MOOG    D682-4209-P01HYZF4VSX2A
HYDAC    HDA4445-A-250-000
SCHNEIDER    NSD250K 250A
SCHNEIDER    LC1D12M7C AC220V
ZIEHL-ABEGG    RH28M-2EK.3F.1R   125797
MTS    RHM1360MR021A01
WEBER    Foto captor 1242.43V L100 S102
HYDAC    SAF32M12T350A-S309
MTS    RHM0690MP051S1G2100
PHOENIX    3036149
BURKERT    00023267
RITTAL    SK3110000
BALLUFF    BPI006K   BPI 8M4A40-2K-MC-HHFB
HYDAC    0060R010BN4HC
MTS    RHM0050MP201S3B1105
HEIDENHAIN    533117-03
SEW    01.1333963301.0001.10
HYDAC    HAD4744-A-016-031
EMG    ADP01.1
SCHUNK    SRU 40.1(357902)
MOOG    XDB10735-003M01
TECHNA-TOOL    JTEC489-2-C-10
EMG    KLW300.012
B+R    X20BB82
HYDAC    1300R003BN4HC
RITTAL    3452.500
DAVID    H10-13S
FEIN    WPO 14-25E 訂貨號(hào)：72214950010
TWK    IW254/40-025-KFN-KHN s/n:175166配插頭
BUCHER    W2N32SH-6AB2.24VDC
MTS    RHM3120MP101S3B6105
EUCHNER    MGB-L1-AR-AB9A1-S1-R-109887 ID:109887
HBM    K-T40B-005R-MF-S-M-DU2-0-S
WEIGEL    EQ144K/1A/800A
OMRON    E5CN-HC2 AC100-240
NSD    AB32N-V1R 轉(zhuǎn)換模組

要?jiǎng)?chuàng)新工作機(jī)制，積極通過(guò)與沿線(xiàn)國(guó)家聯(lián)合制定標(biāo)準(zhǔn)，更加注重標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和推廣，探索“一帶一路"標(biāo)準(zhǔn)化示范區(qū)和示范項(xiàng)目，要調(diào)動(dòng)企業(yè)參與“一帶一路"的標(biāo)準(zhǔn)化工作的積極性，加快標(biāo)準(zhǔn)化人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，推動(dòng)沿線(xiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的軟連通，攜手推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“一帶一路"的互聯(lián)互通。