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开关电源模块

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  目录
  1 产品简介
  2 直流斩波
  3 AC/DC
  4 优点
  5 作用
  6 EMI抑制
  产品简介
  开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
  直流斩波
  DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类:
  (1) Buck电路――降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。
  (2) Boost电路――升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,极性相同。
  (3) Buck-Boost电路――降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。
  (4) Cuk电路――降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压UI,极性相反,电容传输。
  当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80-90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200~300)kHz,功率密度已达到27 W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。
  AC/DC
  AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
  AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。按电源相数可分为,单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
  优点
  设计简单。只需一个电源模块,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电源模块即可。
  技术要求低。模块电源一般配备标准化前端、高集成电源模块和其他元件,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,又赋予了模块电源金玉其表的包装。
  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。
  作用
  输出电压调节
  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。
  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。
  应用领域
  开关电源模块应用在几大方面
  1.电力,主要有集成器和电表以及智能电表
  2.工控, 工业控制领域
  3.医疗,医疗设备,主要有护胎仪,监护仪等等
  4.军工,军工业是应用很广泛的一个方面。军用设备里。
  EMI抑制
  1MHZ以内,以差模干扰为主。
  ①增大X电容量;
  ②添加差模电感;
  ③小功率电源可采用 PI 型滤波器处理(建议靠近变压器的电解电容可选用较大些)。
  1MHZ-5MHZ,差模共模混合,采用输入端并联一系列 X 电容来滤除差摸干扰并分析出是哪种干扰超标并以解决,
  ①对于差模干扰超标可调整 X 电容量,添加差模电感器,调差模电感量;
  ②对于共模干扰超标可添加共模电感,选用合理的电感量来抑制;
  ③也可改变整流二极管特性来处理一对快速二极管如 FR107 一对普通整流二极管1N4007。
  5M以上,以共摸干扰为主,采用抑制共摸的方法。
  对于外壳接地的,在地线上用一个磁环串绕 2-3 圈会对 10MHZ 以上干扰有较大的衰减作用; 可选择紧贴变压器的铁芯粘铜箔, 铜箔闭环. 处理后端输出整流管的吸收电路和初级大电路并联电容的大小。
  20-30MHZ,
  ①对于一类产品可以采用调整对地Y2 电容量或改变Y2 电容位置;
  ②调整一二次侧间的Y1 电容位置及参数值;
  ③在变压器外面包铜箔;变压器最里层加屏蔽层;调整变压器的各绕组的排布。
  ④改变PCB LAYOUT;
  ⑤输出线前面接一个双线并绕的小共模电感;
  ⑥在输出整流管两端并联RC滤波器且调整合理的参数;
  ⑦在变压器与MOSFET之间加BEAD CORE;
  ⑧在变压器的输入电压脚加一个小电容。
  ⑨可以用增大MOS驱动电阻.
  30-50MHZ,普遍是MOS管高速开通关断引起。
  ①可以用增大MOS驱动电阻;
  ②RCD缓冲电路采用1N4007 慢管;
  ③VCC供电电压用1N4007 慢管来解决;
  ④或者输出线前端串接一个双线并绕的小共模电感;
  ⑤在MOSFET的D-S脚并联一个小吸收电路;
  ⑥在变压器与MOSFET之间加BEAD CORE;
  ⑦在变压器的输入电压脚加一个小电容;
  ⑧PCB心LAYOUT 时大电解电容,变压器,MOS构成的电路环尽可能的小;
  ⑨变压器,输出二极管,输出平波电解电容构成的电路环尽可能的小。
  50-100MHZ,普遍是输出整流管反向恢复电流引起。
  ①可以在整流管上串磁珠;
  ②调整输出整流管的吸收电路参数;
  ③可改变一二次侧跨接Y电容支路的阻抗,如PIN脚处加BEAD CORE或串接适当的电阻;
  ④也可改变MOSFET,输出整流二极管的本体向空间的辐射(如铁夹卡MOSFET; 铁夹卡DIODE,改变散热器的接地点);
  ⑤增加屏蔽铜箔抑制向空间辐射。
  200MHZ以上,开关电源已基本辐射量很小,一般可过EMI标准。
  补充说明:
  开关电源高频变压器初次间一般是屏蔽层的,以上未加缀述。开关电源是高频产品,PCB的元器件布局对EMI,请密切注意此点。
  开关电源若有机械外壳,外壳的结构对辐射有很大的影响,请密切注意此点。主开关管、主二极管不同的生产厂家参数有一定的差异,对 EMC 有一定的影响,请密切注意此点


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