精工電源科技深圳有限: 曾憲明: 概述:1 電子產(chǎn)品,特別是軍用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程,不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)
計(jì),還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)等方面。因?yàn)槿魏?br />方面那怕是最微小的疏忽,都可能導(dǎo)致整個(gè)電源的崩潰,所以我們應(yīng)充分認(rèn)識到電源產(chǎn)品可
靠性設(shè)計(jì)的重要性。
2 開關(guān)電源電氣可靠性設(shè)計(jì)
2.1 供電方式的選擇
集中式供電系統(tǒng)各輸出之間的偏差以及由于傳輸距離持規(guī)及死檢的不同而造成的壓差降低了供電質(zhì)量,
而且應(yīng)用單臺電源供電,當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。分布式供電系統(tǒng)因供電單元
靠近負(fù)載,改善了動態(tài)響應(yīng)特性,供電質(zhì)量好,傳輸損耗小,效率高,節(jié)約能源,可靠性
高,容易組成N+1冗余供電系統(tǒng),擴(kuò)展功率也相對比較容易。所以采用分布式供電系統(tǒng)可以
滿足高可靠性設(shè)備的要求。
2.2 電路拓?fù)涞倪x擇
開關(guān)電源一般采用單端正激式、單端反激式、雙管正激式、雙單端正激式、雙正激式、推挽
式、半橋、全橋等八種拓?fù)洹味苏な健味朔醇な健㈦p單端正激式、推挽式的開關(guān)管的
承壓在兩倍輸入電壓以上,如果按60%降額使用,則使開關(guān)管不錢堅(jiān)終看序看易選型。在推挽和全橋拓?fù)?br />中可能出現(xiàn)單向偏磁飽和,使開關(guān)管損壞,而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣涌共黄胶饽芰Γ?60問答以就
不會出現(xiàn)這個(gè)問題。雙管正激式和半橋電路開關(guān)管的承壓僅為電源的最大輸入電壓,即使按
60%降額使用,選用開關(guān)管也比較容易。在高可靠性工程上一般選用這兩類電路拓?fù)洹?br /> 型明順選套細(xì)斗走寫 2.3 控制策略散部些概座粒燈的選擇
在中小功率的電源中,電縣排最量議放段自色流型PWM控制是大量采用的方法,它較電壓控制型有如下優(yōu)點(diǎn):逐
周期電流限制,比電壓型控制更快,不會因過流而使開關(guān)管損壞,大大減小過載與短路的保
護(hù);優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率;迅捷的瞬態(tài)響應(yīng);環(huán)路穩(wěn)定,易補(bǔ)償;紋波比電壓控制型小得
多。生產(chǎn)實(shí)踐表明電流控制型的50W開關(guān)電源的輸出紋波在25m左右,遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制
型。
硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制,開關(guān)頻率一般在kHz以下,軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理,
使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷,實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零,從而可將開關(guān)頻率提高到兆
赫級水平,這種行稱導(dǎo)守燃川應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點(diǎn),接近
理想的特性,如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負(fù)載范
圍,但是此項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源,中小功率電源中仍以PWM技術(shù)為主。
2.4 元器件的選用
因?yàn)樵骷苯記Q定了電源的可靠性,所以元器件的選用非常重要。元器件的失效主要
集中兩聽歷響老曲察林在以下四個(gè)方面:
(1)質(zhì)量問題
質(zhì)量問題造成的失效與工作應(yīng)力無關(guān)。質(zhì)量不合格的可以通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)加以剔除,在
工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)選用定點(diǎn)生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品,不允許使用沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品。
(2)元器件可靠性問題
元器件可靠性問題即基本失效率的問題,這是一種隨機(jī)性質(zhì)的失效,與質(zhì)量問題的區(qū)別
是元器件的失效率取決于工作應(yīng)力水平。在一定的應(yīng)力水平下,元器件的失效率會大大下
降。為剔除不符合使用要求的元器件,包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、
穩(wěn)定性差、早期失效等,應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn),這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過篩選可使元器件失
效率降低1~2個(gè)數(shù)量級,當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(jià)(時(shí)間與費(fèi)用)很大,但綜合維修、后勤保障、整
架聯(lián)試等還是合算的,研制周期也不會延長。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求:
①電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行%測試,剔除不合格品。
②普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行%測試,剔除不合格品。
③接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。
④半導(dǎo)體器件按以下程序進(jìn)行篩選:
目檢→初測→高溫貯存→高低溫沖擊→電功率老化→高溫測試→低溫測試→常溫測試
篩選結(jié)束后應(yīng)計(jì)算剔除率
=(n / N)×%
式中:N——受試樣品總數(shù);
n——被剔除的樣品數(shù);
如果超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值,則本批元器件全部不準(zhǔn)上機(jī),并按有關(guān)規(guī)定處理。
在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí),則將篩選合格的元器件打漆點(diǎn)標(biāo)注,然后入專用庫供裝機(jī)使
用。
(3)設(shè)計(jì)問題
首先是恰當(dāng)?shù)剡x用合適的元器件: ①盡量選用硅半導(dǎo)體器件,少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。
②多采用集成電路,減少分立器件的數(shù)目。
③開關(guān)管選用MOSFET能簡化驅(qū)動電路,減少損耗。
④輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。
⑤應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。
⑥集成電路必須是一類品或者是符合MIL-M-、MIL-S-標(biāo)準(zhǔn)B-1以上質(zhì)量
等級的軍品。
⑦設(shè)計(jì)時(shí)盡量少用繼電器,確有必要時(shí)應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。
⑧原則上不選用電位器,必須保留的應(yīng)進(jìn)行固封處理。
⑨吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近,因流過高頻電流,故易升溫,所
以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。
在潮濕和鹽霧環(huán)境下,鋁電解電容會發(fā)生外殼腐蝕、容量漂移、漏電流增大等情況,所以在
艦船和潮濕環(huán)境,最好不要用鋁電解電容。由于受空間粒子轟擊時(shí),電解質(zhì)會分解,所以鋁
電解電容也不適用于電子設(shè)備的電源中。
鉭電解電容溫度和頻率特性較好,耐高低溫,儲存時(shí)間長,性能穩(wěn)定可靠,但鉭電解電容較
重、容積比低、不耐反壓、高壓品種(>)較少、價(jià)格昂貴。
關(guān)于降額設(shè)計(jì):
電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、振動、沖擊、頻率、速度、碰撞
等)。除個(gè)別低應(yīng)力失效的元器件外,其它均表現(xiàn)為工作應(yīng)力越高,失效率越高的特性。為
了使元器件的失效率降低,所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。降額程度,除可靠性外還需
考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同,實(shí)踐表明,大部分電子元器
件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度,因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力,以下為開關(guān)
電源常用元器件的降額系數(shù):
①電阻的功率降額系數(shù)在0.1~0.5之間。
②二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下,反向耐壓在0.5以下。
③發(fā)光二極管
(2)首先了現(xiàn)代開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展?fàn)顩r,在傳統(tǒng)開關(guān)電源的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的帶全面檢測和保護(hù)功能的開關(guān)電源,該電源輸入帶雷電浪涌保護(hù),并配有RS-通訊接口,可實(shí)現(xiàn)與上位通訊。 1、概述 隨著電子技術(shù)和電源技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)電源以體積小、重量輕、功率密度大、集成度高、輸出組合便利等優(yōu)點(diǎn)而成為電子電路電源的首選。在實(shí)際的工作環(huán)境中,特別是在一些工業(yè)場所中,電磁環(huán)境十分惡劣,常常有異常情況出現(xiàn),例如過電壓、瞬態(tài)脈沖沖擊波、強(qiáng)電磁輻射等。這些都有可能擊毀電源。影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。通過設(shè)計(jì)以微處理機(jī)為核心的具有全面電源檢測技術(shù)輔以提高開關(guān)電源抗過電壓、抗干擾性能力的手段,設(shè)計(jì)了一種具有保護(hù)和監(jiān)控功能的開關(guān)電源。 2、設(shè)計(jì)思想 隨著電子設(shè)備對電源系統(tǒng)要求的日益提高,研究廉價(jià)的具有監(jiān)視'管理供電電源功能的開關(guān)電源愈來愈顯得必要。通過綜合考慮電源各種技術(shù)性能和對自身的安全要求以及開關(guān)電源性能的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出了一種新型實(shí)用的帶有過電壓檢測和保護(hù)裝置的智能化源。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)實(shí)現(xiàn)了對過電壓的檢測,并能記錄每次過電壓的瞬時(shí)值和峰值。可啟動備用電源供電。實(shí)現(xiàn)對電子電路的保護(hù)作用。(2)具有抗沖擊能力強(qiáng)、使用壽命長、帶液晶屏數(shù)字監(jiān)視的特點(diǎn)。 同時(shí)通過RS-通信接口與管理計(jì)算機(jī)通訊能實(shí)現(xiàn)電源的工作和保護(hù)等功能的透明化。(3)能實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流的大小、過電壓的次數(shù)、大小以及必要的參數(shù)設(shè)置信息。(4)通過接口與后臺或遠(yuǎn)端PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。智能化電源的核心由顯示板、CPU板、通信板、備用電源板、過電壓檢測板、鍵盤、通信轉(zhuǎn)接板組成。裝置的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)電壓的峰值檢測,尤其是過電壓的檢測。該開關(guān)電源使用了一種基于單片機(jī)的過電壓檢測和峰值電壓檢測方法,實(shí)驗(yàn)證明它滿足了對檢測的快速性和精確性的要求。 3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 原理框圖 系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。在正常的情況下的交流輸入電壓經(jīng)過整流、濾波、DC/DC.變換、限流穩(wěn)壓電路后可得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。是一個(gè)普通開關(guān)電源。當(dāng)有過電壓時(shí),過電壓經(jīng)過過電壓檢測電路檢測和峰值電壓保持電路保持,控制電源回路,斷開正常工作的交流電路,同時(shí)通過計(jì)算機(jī)啟動備用電源工作,以及完成對過電壓的瞬時(shí)值和峰值的測量。 3.2 PWM控制電路 系統(tǒng)采用的PWM調(diào)制器為SG型[4]的芯片,電路如圖2所示。在芯片的電源入口端并聯(lián)一電容C2構(gòu)成一個(gè)軟啟動電路。設(shè)計(jì)軟啟動電路的目的是防止在電源突然開通時(shí)產(chǎn)生的過大電流對芯片造成沖擊。在剛通電時(shí),電容兩端電壓不能突變,它的電壓隨外部電源對其充電而逐漸升高,經(jīng)過一段時(shí)間后,電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。這樣保證了輸入電壓緩慢地建立起來,確保芯片不受損壞。輸出電路的開關(guān)功率管選用MOS功率管。由于功率管是在高頻狀態(tài)下工作會產(chǎn)生振蕩。為了消除這種寄生振蕩,應(yīng)盡量減少與功率管各管腳的連線長度,特別是柵極引線的長度。若無法減少其長度,可以串聯(lián)小電阻,且盡量靠近管子?xùn)艠O。圖中R3既是功率管的柵極限流電阻,又與R4一起消除功率管工作時(shí)產(chǎn)生的寄生振蕩。 3.3 變壓器驅(qū)動電路 變壓器驅(qū)動電路見圖3。驅(qū)動電路采用單端驅(qū)動工作方式,這種電路簡單、工作可靠性高。功率管由來自SG芯片的驅(qū)動。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當(dāng)SG輸出高電平時(shí),功率管導(dǎo)通,在電感L中儲能;輸出低電平時(shí),功率管截止,導(dǎo)致流過電感L上的電流突然下降為零,L產(chǎn)生反電勢。該反電勢的脈沖電壓加在高頻變壓器的輸入端,驅(qū)動變壓器工作。同時(shí),電感L作變壓器的阻抗匹配元件。 由高頻變壓器輸出的交流電壓經(jīng)二極管D2、D3進(jìn)行整流倍壓后,再經(jīng)C2濾波,得到高壓輸出。 3.4 采樣反饋電路 反饋回路中,對輸出電壓的取樣,采用在輸出端并聯(lián)電阻,再將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方法實(shí)現(xiàn)。 R3、R4、RW為電壓取樣反饋電阻。電壓經(jīng)隔離反饋后,從SG芯片的1腳輸入,控制占空比,進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓,達(dá)到穩(wěn)壓的目的。其穩(wěn)壓原理是:若輸出電壓偏高,采樣反饋的也偏高,與SG中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較后的電壓偏低,導(dǎo)致占空比的寬度變窄,引起輸出電壓下降;反之亦然。RW是可調(diào)電阻,通過調(diào)節(jié)RW來調(diào)節(jié)輸出電壓。 3.5 過電壓檢測電路 過電壓對于電源來說是一個(gè)非常有害的。雷電等引起的瞬時(shí)高電壓如果不加遏制,直接由電源引入RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)則會影響其電源模塊的正常工作,各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常,嚴(yán)重時(shí)會損壞模塊,燒壞元器件IC。 過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的時(shí)侯(微秒或納秒級),通過過電壓檢測電路對這個(gè)進(jìn)行檢測。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻,壓敏電阻相當(dāng)于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管。電壓超過箝位電壓時(shí),壓敏電阻導(dǎo)通;電壓低于箝位電壓時(shí),壓敏電阻截止。這就是壓敏電阻的電壓箝位作用。壓敏電阻工作極為迅速,響應(yīng)時(shí)間在納秒級。 過電壓檢測電路原理圖如圖(4)所示,當(dāng)有過電壓產(chǎn)生時(shí),壓敏電阻被擊穿,呈現(xiàn)低阻值甚至接近短路狀態(tài),這樣在電流互感器的原級產(chǎn)生一個(gè)大電流,通過線圈互感作用在副級產(chǎn)生一個(gè)小電流,再通過精密電阻把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸_@個(gè)輸入到電壓比較器LM后,電壓比較器LM輸出高電平,經(jīng)過非門A 輸出的控制脈沖1控制電源回路,斷開開關(guān)電源電路,啟動備用電源。控制脈沖2送到單片機(jī)的中斷口,單片機(jī)控制回路啟動A/D轉(zhuǎn)換,采樣過電壓的瞬時(shí)值。 3.6 峰值電壓采樣保持電路 峰值電壓采樣保持電路如圖(5) 所示。峰值電壓采樣保持電路由一片采樣保持器芯片LF 和一塊電壓比較器LM構(gòu)成。LF的輸出電壓和輸入電壓通過LM進(jìn)行比較,當(dāng)i>o時(shí)LM輸出高電平,送到LF的邏輯控制端8 腳,使LF 處于采樣狀態(tài)。我也只能和你說到這里,不知道能幫助到你沒。
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