电源设计原理范文

时间:2023-12-11 17:49:37

电源设计原理

电源设计原理范文第1篇

关键词:移动通信终端;电源管理;可充电锂离子电池

引言

移动通信终端产品如GSM手机、CDMA手机及PHS小灵通电话已经深入普及到我们的日常生活中,促进了中国电信事业的发展,也为我们的生活带来了方便与快捷。但同时,由于一些移动终端厂商的设计缺陷,多次出现了手机爆炸伤人事件,而造成爆炸的主要原因在于电源管理部分设计有缺陷或设计存在不完善的地方。

与其他现有电池相比,可充电锂离子电池具有多项优势,这使它们成为更适合于便携式应用的电源。它们可以提供更高的能量密度(最高达200W·h/kg或300~400W·h/L,分别是Ni/Cd或者Ni/MeH电池的2.5倍和1.5倍)和更高的电池电压(碳阳极电池为4.1V,石墨阳极电池为4.2V)。它们具有无记忆效应,自放电率小,可快速充放电及更高的充放电次数等优点。

锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为移动终端产品应用制造出更小和更轻的电池,而更轻和更小的电源对目前中国移动通信终端产品追求最小尺寸来说是至关重要的。要想充分利用电池容量或延长电池寿命,必须极其严格地控制充电参数。

鉴于锂离子可充电电池的上述优点,本文将详细介绍如何设计高效、安全的锂离子可充电电池管理电路。

1 移动通信终端产品锂离子电源管理的原理及设计

锂离子电源管理的设计主要是针对锂离子电池的特性来进行的。锂离子电池的安全性能及供电性能主要体现在其充放电参数的控制上。图1为锂电池电源管理原理图。该图由控制芯片和电路组成。接下来,我们就图1从锂电池放电、充电两个方面来探讨如何实现锂电池的管理。

1.1 放电工作原理

电池过放可能会给电池带来灾难性的后果,特别是大电流过放或反复过放,对电池的影响更大。一般而言,过放电会使电池内压升高,正负极活性物质的可逆性受到破坏,即使充电也只能部分恢复,容量会有明显衰减。锂离子电源管理电路的功能之一就是为了保护锂电池不至于过放。

图1

锂电池的正常工作电压为2.575~4.2V。当电池电压在此范围内,管理电路将MOSFET管S4打开,在电池(CELL)电压与BATT+之间建立低阻通道,有利于电流从电池流向手机负载。在此情况下,过放就体现为输出电流过大。在整个输出过程中,电源管理电路不断地检测从电池输出到负载的电流。当电池输出电流超过通常的保护值3.5A的时候,手机短路保护电路开始工作,关闭S4,切断电池与BATT+的连接。

当电池持续放电到电池电压低于文献[1]规定的放电终止电压2.375V以下时,则属于电压过放。此时,图1中的手机低电压及短路保护电路开始工作,同电流过放一样,关闭S4,切断电池与BATT+的连接达到保护锂电池的目的。

1.2 充电工作原理

充电管理电路在对锂电池进行充电时,更是一个复杂的过程,既要保证锂电池能够充满,又要保证锂电池的性能,最重要的是要保证锂电池不能过充。如果锂电池在充电过程中充电电流过大,或充电时间过长,产生的氧气来不及被消耗,就可能造成内压升高,电池变形,漏液等不良现象。同时,其电性能也会显着降低。

整个充电电路应该具有以下几种充电模式:

——低电压预充电模式;

——全速充电模式;

——涓流充电模式;

——顶端截止、脉冲充电模式;

——充电截止模式。

1.2.1 低电压预充电模式

当电池电压低于3.0V时,电源管理电路进入低电压预充电模式。当电池极度过放时,为了防止过量的充电电流对电池性能造成损伤,充电电路应该采取渐进的充电方式。

对于一块极度过放的,电压已低于0.7V的锂电池,电源管理电路将提供预充电涓流给电池。此时S1关闭,充电器通过R1提供电流给管脚Vdect,充电器提供电流的大小完全由R1决定,整个充电器几乎工作在无负载情况下。这种充电模式甚至可以对电压已经为0V的电池进行充电;当电池电压高于0.7V低于1.98V时,外部S1及S2工作,电源管理电路可以以更高的电流对电池进行充电。但是,此时三极管S1的功耗检测电路还没有工作,必须限制其功耗低于800mW,以免烧毁S1;当电池电压高于1.98V低于3.0V时,整个电源管理电路都正常工作,此时S1的控制电路使S1以较高的电流,但远低于全速充电电流对电池进行充电,该电流一般超过100mA。

1.2.2 全速充电模式

当电池电压高于3.0V时,预充电模式结束,进入全速充电模式。此时,电源管理电路将S1及S2打开,并使S1工作在饱和模式,充电器提供全速充电电流给电池充电。但是,电源管理电路将限制最大充电电流小于1.5A。

这种充电模式对充电器也有一定的要求,要求其实现限流输出。这样做的目的是便于移动通信终端厂商,在产品设计时可以根据产品的定义,选择不同的充电电流,实现对具体锂电池快速有效的充电。在典型应用中,一般要求充电器提供的输出电流限制在1A以内,具体的电流可以根据所用锂电池厂商推荐使用的充电电流,以便电池能够具有一个较高的循环寿命。

1.2.3 涓流充电模式

该充电模式其实也是一种恒压充电模式,当电池表面达到控制电路设定的终止充电电压Vterm时,即进入该种充电模式。由于在全速充电模式下,电流比较大,电池表面电压与实际电池芯的电压有比较大的落差,涓流充电模式就是用来减小甚至消除该落差。此时,电源管理电路通过控制S1的开闭情况,将提供给电池的最大电流限制在100多mA。由于电池被充得越来越足,因此,涓流就越来越小,直到截止。

1.2.4 顶端截止脉冲充电模式

当电源管理电路处于涓流充电模式时,它会周期性地跳转到全速充电模式,形成脉冲电流对电池进行充电。大电流脉冲宽度一般<100μs,这样有利于电池更快被充满。

1.2.5 充电截止模式

电源管理电路会有一个控制引脚,由手机的CPU决定什么时候停止充电。进入这种模式,一般会有这样几种情况:手机检测到充电电路包括锂电池温度过高;不是原装的锂电池;已经进入涓流充电,不需要充电时间过长;充电器设计不合理等等。

2 结语

由于电源管理电路在移动通信终端产品中的地位非常重要,它不仅涉及到手机的安全性能而且

电源设计原理范文第2篇

引言

移动通信终端产品如GSM手机、CDMA手机及PHS小灵通电话已经深入普及到我们的日常生活中,促进了中国电信事业的发展,也为我们的生活带来了方便与快捷。但同时,由于一些移动终端厂商的设计缺陷,多次出现了手机爆炸伤人事件,而造成爆炸的主要原因在于电源管理部分设计有缺陷或设计存在不完善的地方。

与其他现有电池相比,可充电锂离子电池具有多项优势,这使它们成为更适合于便携式应用的电源。它们可以提供更高的能量密度(最高达200W·h/kg或300~400W·h/L,分别是Ni/Cd或者Ni/MeH电池的2.5倍和1.5倍)和更高的电池电压(碳阳极电池为4.1V,石墨阳极电池为4.2V)。它们具有无记忆效应,自放电率小,可快速充放电及更高的充放电次数等优点。

锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为移动终端产品应用制造出更小和更轻的电池,而更轻和更小的电源对目前中国移动通信终端产品追求最小尺寸来说是至关重要的。要想充分利用电池容量或延长电池寿命,必须极其严格地控制充电参数。

鉴于锂离子可充电电池的上述优点,本文将详细介绍如何设计高效、安全的锂离子可充电电池管理电路。

1 移动通信终端产品锂离子电源管理的原理及设计

锂离子电源管理的设计主要是针对锂离子电池的特性来进行的。锂离子电池的安全性能及供电性能主要体现在其充放电参数的控制上。图1为锂电池电源管理原理图。该图由控制芯片和电路组成。接下来,我们就图1从锂电池放电、充电两个方面来探讨如何实现锂电池的管理。

1.1 放电工作原理

电池过放可能会给电池带来灾难性的后果,特别是大电流过放或反复过放,对电池的影响更大。一般而言,过放电会使电池内压升高,正负极活性物质的可逆性受到破坏,即使充电也只能部分恢复,容量会有明显衰减。锂离子电源管理电路的功能之一就是为了保护锂电池不至于过放。

图1

锂电池的正常工作电压为2.575~4.2V。当电池电压在此范围内,管理电路将MOSFET管S4打开,在电池(CELL)电压与BATT+之间建立低阻通道,有利于电流从电池流向手机负载。在此情况下,过放就体现为输出电流过大。在整个输出过程中,电源管理电路不断地检测从电池输出到负载的电流。当电池输出电流超过通常的保护值3.5A的时候,手机短路保护电路开始工作,关闭S4,切断电池与BATT+的连接。

当电池持续放电到电池电压低于文献[1]规定的放电终止电压2.375V以下时,则属于电压过放。此时,图1中的手机低电压及短路保护电路开始工作,同电流过放一样,关闭S4,切断电池与BATT+的连接达到保护锂电池的目的。

1.2 充电工作原理

充电管理电路在对锂电池进行充电时,更是一个复杂的过程,既要保证锂电池能够充满,又要保证锂电池的性能,最重要的是要保证锂电池不能过充。如果锂电池在充电过程中充电电流过大,或充电时间过长,产生的氧气来不及被消耗,就可能造成内压升高,电池变形,漏液等不良现象。同时,其电性能也会显著降低。

整个充电电路应该具有以下几种充电模式:

——低电压预充电模式;

——全速充电模式;

——涓流充电模式;

——顶端截止、脉冲充电模式;

——充电截止模式。

1.2.1 低电压预充电模式

当电池电压低于3.0V时,电源管理电路进入低电压预充电模式。当电池极度过放时,为了防止过量的充电电流对电池性能造成损伤,充电电路应该采取渐进的充电方式。

对于一块极度过放的,电压已低于0.7V的锂电池,电源管理电路将提供预充电涓流给电池。此时S1关闭,充电器通过R1提供电流给管脚Vdect,充电器提供电流的大小完全由R1决定,整个充电器几乎工作在无负载情况下。这种充电模式甚至可以对电压已经为0V的电池进行充电;当电池电压高于0.7V低于1.98V时,外部S1及S2工作,电源管理电路可以以更高的电流对电池进行充电。但是,此时三极管S1的功耗检测电路还没有工作,必须限制其功耗低于800mW,以免烧毁S1;当电池电压高于1.98V低于3.0V时,整个电源管理电路都正常工作,此时S1的控制电路使S1以较高的电流,但远低于全速充电电流对电池进行充电,该电流一般超过100mA。

1.2.2 全速充电模式

当电池电压高于3.0V时,预充电模式结束,进入全速充电模式。此时,电源管理电路将S1及S2打开,并使S1工作在饱和模式,充电器提供全速充电电流给电池充电。但是,电源管理电路将限制最大充电电流小于1.5A。

这种充电模式对充电器也有一定的要求,要求其实现限流输出。这样做的目的是便于移动通信终端厂商,在产品设计时可以根据产品的定义,选择不同的充电电流,实现对具体锂电池快速有效的充电。在典型应用中,一般要求充电器提供的输出电流限制在1A以内,具体的电流可以根据所用锂电池厂商推荐使用的充电电流,以便电池能够具有一个较高的循环寿命。

1.2.3 涓流充电模式

该充电模式其实也是一种恒压充电模式,当电池表面达到控制电路设定的终止充电电压Vterm时,即进入该种充电模式。由于在全速充电模式下,电流比较大,电池表面电压与实际电池芯的电压有比较大的落差,涓流充电模式就是用来减小甚至消除该落差。此时,电源管理电路通过控制S1的开闭情况,将提供给电池的最大电流限制在100多mA。由于电池被充得越来越足,因此,涓流就越来越小,直到截止。

1.2.4 顶端截止脉冲充电模式

当电源管理电路处于涓流充电模式时,它会周期性地跳转到全速充电模式,形成脉冲电流对电池进行充电。大电流脉冲宽度一般<100μs,这样有利于电池更快被充满。

1.2.5 充电截止模式

电源管理电路会有一个控制引脚,由手机的CPU决定什么时候停止充电。进入这种模式,一般会有这样几种情况:手机检测到充电电路包括锂电池温度过高;不是原装的锂电池;已经进入涓流充电,不需要充电时间过长;充电器设计不合理等等。

2 结语

由于电源管理电路在移动通信终端产品中的地位非常重要,它不仅涉及到手机的安全性能而且关系到使用者的人身安全。本文提出的解

电源设计原理范文第3篇

【关键词】开关电源EMI滤波器 原理 设计

中图分类号: TM643 文献标识码: A 文章编号:

开关电源的特点是频率高、效率高、功率密度高和可靠性高。然而由于其开关器件工作在高频通断状态,使得电磁干扰非常严重。防电磁干扰主要有三项措施,即屏蔽、滤波和接地。往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁干扰防护,唯一的措施就是增加滤波器,来切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径,与屏蔽共同构成完美的电磁干扰防护。

开关电源EMI滤波器的原理

1、开关电源的电磁干扰源

(1)开关管产生干扰。开关管导通时由于开通时间很短及回路中存在引线电感,将产生较大的du/dt和较高的尖峰电压。开关管关断时间很短,也将产生较大的di/dt和较高的尖峰电流,其频带较宽而且谐波丰富,通过开关管的输入输出线传播出去形成传导干扰;

(2)整流二极管反向恢复电流引起的噪声干扰

由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用,二极管导通角变小,输入电流成为一个时间很短,而峰值很高的尖峰电流,含有丰富的谐波分量,对其他器件产生干扰。二级滤波二极管由导通到关断时存在一个反向恢复时间。因而,在反向恢复过程中由于二极管封装电感及引线电感的存在,将产生一个反向电压尖峰, 同时产生反向恢复尖峰电流,形成干扰源;

高频变压器引起EMI问题

隔离变压器初、次级之间存在寄生电容,这样高频干扰信号很容易通过寄生电容耦合到次级电路,同时由于绕制工艺问题在初、次级出现漏感将产生电磁辐射干扰。另外,功率变压器电感线圈中流过脉冲电流而产生电磁辐射,而且在负载切换时会形成电压尖峰;

2、干扰信号频段分析

当开关电源的谐波电平在高频段(频率范围30MHz以上)时,表现为辐射干扰,而当开关电源的谐波电平在低频段(频率范围0.15 MHz~30 MHz)表现为传导干扰。传导干扰电流按照其流动路径可以分为两类:一类是差模干扰电流,另一类是共模干扰电流。开关电源的差模干扰和共模干扰分布在不同的频段,在截止频率范围内大致可分成3个频段,在0.5MHz以下,主要是以抑制差模干扰为主;在O.5 MHz一1 MHz(或0.1MHz一1 MHz)范围内,差模和共模干扰共存;在1MHz—30 MHz范围内主要是以抑制共模干扰为主。

二、设计开关电源EMI滤波器的实际方法

1、设计中的几点考虑

EMI滤波器的效果不但依赖于其自身,还与噪声源阻抗及电网阻抗有关。电网阻抗通常利用静态阻抗补偿网络(LISN)来校正,接在滤波器与电网之间,包括电感、电容和一个50电阻,从而保证电网阻抗可由已知标准求出。而EMI源阻抗则取决于不同的变换器拓扑形式。

以典型的反激式开关电源为例,如下图(a)所示,其全桥整流电路电流为断续状态,电流电压波形如下图所示。对于共模噪声,下图(b)所示可以看作一个电流源和一个高阻抗并联;下图(c)中对于差模噪声,取决于整流桥二极管通断情况,有两种状态:当其中任意两只二极管导通时,等效为一个电压源与一个低值阻抗串连;当二极管全部截止时,等效为一个电流源和一个高阻抗并联。因而噪声源差模等效阻抗以2倍工频频率在上述两种状态切换 。

EMI滤波器设计

(1)电容、电感选取原则

一般的EMI滤波器中有两组电容,即跨接在电源线之间起差模抑制作用的X电容和接在电源线和地之间起共模抑制作用的Y电容。对于X电容其额定电压应和电网电压相当,其容量可以选的大些,典型值为零点几微法到1。对于Y电容取值允许的情况下越大越好,但Y电容会导致人员电击,所以对其最大漏电电流有限制,的大小由产品规定。

另外,为了获得较好的高频特性,降低高频等效串联电阻和等效串联电感,X和Y电容通常都是通过几个较小的电容并联来满足其容量要求。对于滤波器中的共模或差模扼流圈一般情况下要自己动手设计。磁芯材料一般是铁氧体。电感量的估算要考虑阻抗和频率。共模扼流圈典型取值为1.5 mH~20mH,差模扼流圈典型取值为10H~50H。

(2)设计EMI滤波器的步骤

要使EMI滤波器有良好的工作特性,元件在选材时有很多需要注意的地方。差模滤波电容(C)通常选取金属膜电容,金属膜电容具有较大的电容值,自谐振频率在1 MHz~2 MHz之间,对于较低频率的差模干扰信号有非常好的抑制效果,设计时通常选取值为0.1uF一1uF。共模滤波电容()选用瓷片电容,具有高达10 MHz以上的自谐振频率,所以对较高频率的共模干扰信号有较好的抑制效果,设计时通常选取值为1000 pF~6800 pF。共模电容因为要进行接地,则共模滤波电容的最大容量可用下式计算:

出于安全考虑,漏电流要尽量小,通常应小于5 mA。

为了取得良好的滤波效果,电感的取值和材料的选取原则从以下几个方面考虑:第一,磁芯材料的频率范围要宽,要保证最高频率在1 GHz,即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率;第二,磁导率高,但是在实际中很难满足这一要求,所以,磁导率往往是分段考虑的。共模扼流圈磁心尽量选用起始磁导率高、高频性能好的磁心,这样对共模噪声有很好的抑制效果。绕制共模扼流圈的时候尽量让导线均匀包裹住磁心,以减少漏感,这样绕制出的电感线圈与设计值更为接近。

EMI滤波器抗共模部分的截止频率的计算式:

EMI滤波器抗差模部分的截止频率的计算式:

在实际的计算过程中,如同计算共模滤波器的步骤一样,首先确定需要的 以及厂的大小,再带人由式(4)推导出来的式(5)中,计算出的值。再由式(6)计算出的大小。一般情况下共模扼流圈的漏感取值为自身电感量的0.5% ~2%。

经过上面的步骤以后,就可以得到针对不同频率开关电源的EMI滤波器中所有元件的参数。

开关电源EMI滤波器的设计电路

①开关电源共模干扰等效电路

下图所示,开关管 由导通变为截止状态时.其集电极电压会马上变为一个高电压.这个襄变电压会引起下图中Icm2向 集电极到地之间的分布电容充电。这个突变电压还生成电流Icm1向高频变压器初、次级问的分布电容充电 形成共模电流(Icm1+Icm2)。 其充电频率就是开关电源的工作频率(即脉冲重复频率)。其中,与开关管的结构有关.而的数值视高频变压器的具体结构和工艺而定 因此可知.共模干扰电流的流动方向有两条:一条沿着电源正极到地;另一条沿着电源负极到地。LISN表示测试等效电路时连接线路阻抗稳定网络。

②开关电源差模干扰等效电路

下图所示.当导通时,差模电流和电源电流都沿着导线、变压器初级及开关管回到电流负极上。当截止时,视为开路。这时数量很小并且也对差模电流是高阻抗的。因此,差模电流是沿着电源正极到负极方向流动的。

总结

提出的EMI滤波器,完全滤除了开关电源输出端的尖峰干扰,其对开关电源传导性共模、差模噪声干扰体现了较强的抑制作用。

参考文献

[1] 付明民,袁登科,张逸成,龚增,王晖。 用于开关电源的EMI滤波器设计[J]. 电气自动化. 2009(04)

[2] 冯楠,曾国宏,张佳。 高频开关电源的EMI滤波器的研究[J]. 电气技术. 2006(12)

[3] 张逸成,苏丹,朱学军,姚勇涛。 抑制开关电源高频噪声的电磁干扰滤波器设计方法[J]. 城市轨道交通研究. 2007(09)

[4] 杨志辉,韩泽耀。 应用于开关电源的有源共模EMI滤波器[J]. 安全与电磁兼容. 2006(04)

[5] 曹丽萍,张勋,陈晨,刘韬。 开关电源输入EMI滤波器设计与仿真[J]. 电子科技. 2010(04)

电源设计原理范文第4篇

【关键词】脉阶调制;脉冲直流电源;加速极;降压收集极行波管

1 引言

脉阶调制(PSM)技术是瑞士BBC(Brown Boveri)公司于1983年首先提出并发展的,最初的目的是应用于大功率广播发射机中以替换传统的乙类真空管调制器。采用开关模式的调制方式代替了真空管线性调制方式,广播发射机的效率得以大幅提高。

近年来,随着各种新的电力电子器件和控制技术的发展,IGBTs、DSP控制以及其它新器件新技术已经广泛应用于PSM技术中,PSM调制器的指标更优化,也因此在更多的领域中得以应用,尤其是大功率直流脉冲电源的设计中。

2 PSM技术

PSM技术的一个显著特点是把主整电压化整为零,即把主整高压分成若干个低压输出的电源模块。这些电源模块相串联,电源的输出电压取决于投入的模块数。这样,可根据需要增减模块串联数,而形成脉冲阶梯波形。

PSM的电路拓扑结构如图1所示。

图1 PSM拓扑结构

该电路由若干相同的直流电源模块串联而成,每个电源模块包括一个直流电源VDC,开关S和一个旁路二极管D。开关S断开的电源模块由二极管旁路,为电流提供通道,任一模块的开断都不影响电源的输出。

开关S的断开和闭合对应模块输出电压的两个状态。

Voff=-VD VD:旁路二极管的导通压降

Von=VDC-VS VS:开关S的导通压降

若PSM电源由N个电源模块串联,其中n个模块导通。则PSM电源的输出电压

Vout=n(VDC-VS)-(N-n)VD

如果忽略二极管和开关S的导通压降,则对应有

Voff=0 Von=VDCS Vout=n・VDC

任何时刻电源的输出电压取决于投入的模块数。在理想情况下,通过控制电源模块投入的数量就可以实现输出电压从0-n・VDC的阶梯变化。

3 调制和保护原理

当PSM电源的输出是一个直流脉冲电压时,PSM电路的作用是通过增减投入的电源模块数来补偿由于负载变化和母线电压波动带来的输出电压波动,提供一个恒定的脉冲电压输出。电源电压调节原理见图2。

图2 电压调节原理

由主控制系统构建的快保护和内置控制构建的慢保护组成了电源的保护电路。内置控制实现逻辑控制,状态监控及过压欠压等慢保护。电源过流时,由主控来的保护信号直接驱动关断所有开关,实现快保护。

4 基于PSM技术的大功率脉冲电源

在行波管(TWT)发射机中,采用多降压收集极,可以减少回流,提高收集极效率,这样行波管的总效率也得以提高。每个收集极置于不同电位。如前所述,PSM电源的特点比较适合用于多收集极行波管,特别是大功率行波管。多收集极行波管电源原理图如图3所示。

图3 多收集极行波管电源原理图

很明显,利用PSM技术,只要将不同电位的收集极联结到相应电位的直流电源模块上,就可以很方便的实现多收集极降压电源,图中行波管的三个降压收集极分别与不同电位的电源模块相联。在电源模块的操作中,要注意每个收集极电流应正确分配,这一点通过程序控制不难实现。

一种大功率两收集极行波管,峰值功率200kW,占空比1%,阴极电压-50kV(对地),第一收集极35kV(对阴极),第二收集极18kV(对阴极)。电源可由80个模块组成,单个模块设计输出为700V,全部模块投入时,输出电压56 kV,提供了10%的冗余。在没有附加PWM调制时,电压精度可以达到0.7%。如果附加PWM调制,电压精度可以达到0.1%。

在700V电压等级上,各种原器件的选择比较容易,型号较多,并且价格也比较合理。由于电源功率耗散小,使用强迫风冷就足够了。

5 结论

PSM技术的诞生为一些特殊的大功率高压电源的设计带来了根本的变化,具有高可靠性、高冗余度、高效率、打火时进入弧道的能量小等特点。模块化结构使得设计和维护更加方便灵活,与传统的电源方案相比较,具有较大优势。并且,随着固态开关器件的发展,PSM技术必将应用于更广泛的领域。

参考文献

[1]李序葆,赵永健.电力电子器件及其应用(第一版)[M].北京:机械工业出版社.2003.

[2]黄俊,王兆安.电力电子变流技术(第三版)[M].北京:机械工业出版社,1996.

[3]王一农,杜世俊,刘小宁等.EAST中性束注入器加速极电源设计[J].合肥工业大学学报, 2005(10).

作者简介:

电源设计原理范文第5篇

【关键词】整车电气原理设计;电源分配设计;接地分配设计;回路匹配设计;压接点设计

【Abstract】The schematic is used to indicate the vehicle electrical system of the vehicle wiring harness to each electrical power and signal transmission connection between circuits. Vehicle electrical schematic design, all related to the vehicle’s electrical functions to achieve, is an important basis for the analysis of electrical circuits, troubleshoot electrical faults.

【Key words】Vehicle electrical schematic design; Power distribution design; Ground distribution design; Matching circuit design; Splices design

0 引言

整车电气原理,是整车电气系统的核心,它表明了整车线束系统为实现各用电器的功能,一方面通过导线将电源及用电器连接构成回路,为用电器传导电流,另一方面通过导线回路实现相连接的用电器之间的信号传递,从而使各电器件能够按照操作者的意图正常工作。整车电气原理设计是否合理,直接关系到汽车电器件能否正常工作以及全车的安全性、可靠性、经济性和舒适性,它是整车开发过程中的一个重要环节。

整车电气原理设计的主要内容包括电源分配设计、接地分配设计、回路匹配设计、INLINE的选型以及回路压接点设计。

1 整车电气原理的设计输入文件

整车电气原理的设计输入阶段,应获得以下文件:①整车配置表;②各电器子系统信息,包括子系统工作原理图、接口定义及负载特性等;③各电器件在汽车上的布置信息。

2 整车电气原理设计

2.1 电源分配设计

电源分配主要是基于整车各用器的工作原理,在满足各子系统工作原理的前提下,确定采用何种方式给用电器供电,同时对线路保护进行设计。

整车电源类型大致可分为以下三种:①蓄电池直接供电系统(常电或30电);②点火开关控制的供电系统(IG电或15电);③发动机起动时卸掉负载的电源(ACC电)。根据车型的电气系统组成情况,给与合理的电源分配。

电源分配设计一般要遵循以下原则:①所有电源回路都需要进行回路保护;②考虑负载的重要等级以及行车安全,对于重要的安全件,需要单独的熔断器来保护,如近光灯回路;③考虑不同系统的功能关联性和失效模式,减少不同系统和功能之间的相互影响;④区分负载类型是扰动负载还是稳态负载;⑤就近原则,靠近负载的实际安装位置分配电源。

电源分配设计的步骤如下:首先,根据整车蓄电池、起动机、发电机的相关参数,以及子系统负载信息,进行电源类型的分配,以及保险丝、继电器的种类及个数确定。然后,结合车内空间、可扩展性、成本、平台化等因素,对电器盒进行选型并确定其个数。一般车型主要有前舱电器盒和仪表板电器盒,外加蓄电池处的前端保险丝盒,有的车型可能会增加后行李箱电器盒。最后,根据就近原则及负载布置信息,进行电器盒内的负载电源分配。如前舱电器盒主要对前舱的电器件进行供电,仪表板电器盒主要对驾驶舱内的电器件进行供电。

2.2 接地分配设计

在整车电路中,一般会使用导线与车身、发动机或变速箱连接在一起,这样可以车身、发动机、变速箱实现共地。这种实现接地的做法,称为“搭铁”。

为避免接地导线过长,造成不必要的电压降,一般采用就近接地。另外,接地分配也需要考虑到以下三种接地要求:①发动机ECU、ABS/ESP、EPS、SRS等对整车性能及安全影响大,且易受其他用电设备干扰,所以这些件需要单独接地。尤其对于安全气囊系统SRS,其接地点不仅应单设,而且为了确保其安全可靠,最好设计两个及两个以上接地点。其目的是其中一个接地失效,系统可通过另一接地点搭铁,确保系统安全工作。②音箱系统为避免电磁干扰,也要单独接地;弱信号传感器的接地最好独立,接地点最好是在离传感器较近的位置,以保证信号的真实传递。③有些电器件必须共用接地点,以防止不同接地点之间的电位差影响到电器件之间功能的正常实现。

其他电器件可根据具体布置情况相互组合共用接地点。蓄电池负极线、发动机搭铁线等因导线截面较大,因此一定要控制好线长和走向,减小电压降。为增加安全性,发动机、车身一般要单独连到蓄电池负极搭铁。

2.3 回路匹配设计

回路匹配设计,主要是根据负载信息,设定熔断器的型号和容量,从而确定匹配的回路线径。

2.3.1 负载信息确认

根据收集到的整车子系统信息,确认负载类型、负载电流特性曲线。负载类型、负载电流特性曲线如下图1所示:

2.3.2 设定熔断器的型号和容量

熔断器的作用是保护导线,其类型分为快熔型熔断器和慢熔型熔断器。小电流负载和短时间脉冲电流负载,一般选择快熔型熔断器,大电流负载和锁电流负载一般选择慢熔型熔断器。

熔断器的容量设定主要遵循以下原则: 一般来说,熔断器负荷电流不超过熔断器额定电流的70%。同时,还要考虑以下因素。①快熔型熔断器容量:需要考虑负载额定电流值、负载类型、环境温度影响、继电器盒类型、暂态电流波形;②慢熔型熔断器容量:需要考虑和区分连续负载、间歇性负载、特殊负载。

2.3.3 确定回路线径

根据已确定的熔断器来选择与之匹配的回路线径。此过程要综合考虑回路所在的环境温度、回路导线的容许温度、通电时回路导线的温升以及成捆线束容许电流的折减系数。总的原则是要求发生短路时熔断器的熔断时间短于导线发烟时间。如图2,橙色线代表熔断器的熔断时间,粉色线代表导线的发烟时间,回路导线与熔断器的匹配判定左图是可取的,右图则是不可取的。

2.4 INLINE选型

INLINE即线对线连接器。INLINE的选型,需要考虑以下三点:第一,INLINE的端子线径压接范围要与所接回路的线径匹配;第二,INLINE连接器的孔位数要满足所接回路的总数;第三,回路走向要与INLINE所在车上的安装位置匹配,一般采用就近原则。特殊回路如安全气囊系统回路对端子镀层有特殊要求,一般不与其他回路共接同一INLINE。

2.5 回路压接点设计

整车电气原理回路的压接点设计,需要遵循以下三点:第一,单边回路数最多不超过7根,总回路数最多不超过12根;第二,压接的所有回路中,最小回路线径与总回路线径之比必须大于或等于5%;第三,各回路之间的线径匹配须满足导线的压接工艺要求。

3 整车电气原理设计校核验证

整车电气原理需与子系统信息作进一步的校核,并通过以下相关试验进行验证其设计的合理性:①过载试验;②堵转试验;③短路保护试验;④整车配电工作电流测试;⑤供电及接地回路电压降测试;⑥熔断器熔断情况下的功能故障测试;⑦接地不良情况下的功能故障测试;⑧整车搭载耐久试验。

4 结束语

整车电气原理,是整车电气系统的核心。整车电气原理设计得合理,才能保证汽车各用电器能按照操作者的意图来实现其功能,也才能保证汽车的安全性、可靠性、经济性以及舒适性。

【参考文献】

[1]李元胜.汽车电路系统设计与Multisim仿真[D].青岛大学,2014.

[2]吴建刚.目前汽车电路存在的问题与对策[J].汽车电器,2007.

[3]蒋廷云.汽车电线束熔断器的选择[J].汽车电器,2012(12):16-19.

电源设计原理范文第6篇

关键词:开关电源的应用与维护;整体设计;教学项目考核

1课程基本信息

《开关电源的应用与维护》是一门应用电子技术专业学生的职业能力必修课,它是学生入学第四学期开设的课程。它的先修课程是《电路基础》《模拟电路的分析与应用》《数字电路的分析与应用》。后续课程有《电子整机电路检修与调试》《供、配电系统的运行与检测》。在应用电子技术专业课程体系中,它是一门“行业概貌”类型的课程,开关电源应用相当广泛与普遍,学生通过这门课的学习对自己未来所从事的岗位和专业将会有比较深入的了解,更会对自己未来的行业有生动细致的体验。

2课程定位

2.1岗位分析应用电子技术专业的学生初次就业可从事:开关电源维修工、流水线装配工、电源设备维护员等。晋升的岗位有:开关电源产品技术员、设计员、设备主管、生产主管等。未来的发展岗位有:系统工程师、研发工程师、新型项目研发负责人等。2.2课程分析具体情况见表1。

3课程目标设计

3.1总体目标通过此门课程的学习,使学生了解电子元器件在高频工作状态下的特性,能够对各种不同种类开关电源的结构和工作过程进行分析和调试,能够根据电路图判断开关电源的拓扑结构以及调制方式;使学生能够通过常用工具、仪表进行开关电源的安装、调试、检修;使学生能够胜任各种开关电源电路系统的维护、分析、设计等工作岗位;为学生进一步学习专业知识和职业技能打下良好基础;培养学生的团队意识、创新能力。3.2能力目标(1)学会使用仪表进行开关元器件的识别与检测的方式方法。(2)能够具备根据电路图进行开关电源的结构种类的判断,分析调制方式的能力。(3)能够具备使用仪器仪表和工具进行开关电源的日常维护与故障分析处理的能力。(4)能够按照行业标准和工厂实践要求进行开关电源的安装、调试、检测。(5)掌握开关电源的设计方法,了解开关电源的新技术。3.3知识目标(1)掌握开关电源的基础知识,知道开关电源的种类。(2)理解开关电源的基本原理,掌握开关电源的工作方式。(3)了解掌握开关电源中常用的电子器件及其驱动方式。(4)理解掌握各种非隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式及工作原理。(5)理解掌握各种隔离型DC-DC变换器的拓扑结构和控制方式以及工作原理。(6)掌握软开关与整流技术。(7)理解掌握开关电源的控制方式以及多种调制芯片的工作原理。(8)了解整流器和保护电路的工作原理。(9)掌握开关电源的电路分析方法。3.4素质目标(1)注意日常操作的职业素养,养成正确配戴劳动保护用品的良好习惯,具有自我防护意识。(2)培养学生勇于探索的科学态度,勇于实践创新的精神。(3)培养学生养成遵守工作规范、工艺规定及安全操作规程的意识。(4)培养严肃认真、科学严谨的精神;培养学生的协调能力。(5)培养学生与客户及应用方的沟通能力。(6)培养学生将理论应用于实践,彼此互相结合的精神。

4课程内容设计

《开关电源的应用与维护》这门课程的整体设计由4个项目组成,个别项目包含子项目。教师通过带领学生完成这些项目,使学生能了解开关电源的现状和发展趋势,能熟练使用常用仪器设备和工具进行电脑、充电器和普通用电设备开关电源的维护和一般故障排除。初步使用专业软件和专业外语;学生能够按照行业标准和要求完成相关工作任务;学生能够根据具体用电器的要求进行图纸绘制、进行简单计算、并进行初步分析和设计。具体设计内容见表2。5考核方案此课程改变以往用试卷方式为终结性考核的形式,采用项目过程考核,并将每个项目赋予了不同权重,根据学生对项目的实际操作完成情况,平时课上就给出了实践操作成绩。同时,结合同学的课堂表现、出勤及作业完成情况,最终确定其这门课的成绩。教学项目考核成绩表见表3。

参考文献

[1]沈显庆.开关电源原理与设计[M].南京:东南大学出版社,2012.

[2]陈纯锴.开关电源原理、设计及实例[M].北京:电子工业出版社,2012.

电源设计原理范文第7篇

【关键词】 同步 发生器 硬件 通信

1 背景

应总局第62号令的要求,关于广播、电视是否安全播出的数据都是以秒为单位来统计的,说明每一秒钟对于安全播出来说都非常重要的。所以,节目的信号同步问题是保证安全播出有关责任单位必须考虑到的一个重要环节。广播、电视通信的传输设备必须依赖于同步时钟来进行有效的信号传输,作为广播电视技术人员不应该仅仅只了解设备如何操作,还应该要弄清设备的内部构造和设计原理。因此,本文依照同步系统发生器的设计原理,设计了同步发生器的硬件电路,其中包括:主控芯片的单片机系统、时钟系统、通信电路及显示电路这四个关键部分的设计,并制作了设计的电路的实物,进行了相关的测试,很好的实现了文章研究的目的。

2 系统设计

2.1 单片机电路

选择STC系列的单片机来作为控制设备的核心,其可以完全兼容8051系列的单片机,电路的内部主要是有一个反向的可控放大器,该放大器的输入端是XTAL1,输出端是XTAL2,在 XTAL1和XTAL2上进行晶振和电容外接便构成了振荡器,电容C1、C2 的典型值即为30pF±10pF,振荡器频率是取决于晶振的频率,但必须小于元器件所能允许的最高频率。复位电路采用的是上电复位的方式。

2.2 时钟电路

该设计选择DS1302来作为时钟的控制电路,其具有双电源引脚(主电源及备用电源均有),同时,还具备对备用的电源进行直流电流充电的能力(即备用电源为超级电容器或者锂电池等可充电的电源)。该芯片的内部有一个实时的时钟日历,能够完成对秒、分、时、星期及年、月、日、进行计时,能够自动调整当月的天数,还具有闰年补偿的功能。芯片工作的电压为2.5V-5.5V,用户可以通过设置来实现12小时或24小时制的格式。芯片内部含有一个31×8bit的RAM寄存器,是用于存放临时性的数据,如果DS1302不断电,数据将保存永久。DS1302采用三线的SPI通信协议与CPU进行通讯,它能够一次传送一个或者多个字节的实时时钟数据或者RAM数据。其内部的结构如图1所示。

DS1302电路模块由电源、芯片DS1302和晶振三个部分组成,如图2所示:DS1302外接晶振的典型值为32768Hz。电源分为主电源及备用电源两个部分,主电源通常是接入的系统电源,典型值为+5V。备用电源通常接入2.7V-3.5V电源,在本设计中选择普通的3V纽扣式电池作为备用电源,备用电源的作用,即,当主电源断电时,备用电源负责继续供电给DS1302,来保证DS1302中的数据不会丢失。

2.3 通信电路

除了经常用到的DB25接口之外,还有一种九芯的(DB9)RS-232接口也是很设计中很常见的。单片机与电脑的电平方式是不同的,二者之间的通信需要电平转换。常用的转换芯片是MAX232,它有2个发送器(TTL电平转换成RS232电平),2个接收器(RS232电平转换成TTL电平)。

2.4 显示电路

现如今,常用的显示电路多为数码管或液晶的。数码管的特性为:单色性好、亮度高、高频特性优良、发光响应时间短(通常小于 0.1us)、体积小、重量轻、寿命长、抗冲击能力强、编程操作简单、工作温度跨度大、适应面广泛。液晶显示模块的特性是:功耗小、显示直观、显示内容丰富(可显示字母、数字、图像等)、更换操作容易、携带方便等等优点。但是液晶模块本身的速度较慢,数据的每次传输都大致需要几十微秒到几毫秒的时间,若采用间接的控制方式进行访问,则需要每次传送的数据访问两次LCM,这将占用非常多的时间,使CPU变得繁忙,甚至影响到CPU处理其它数据的速度。基于此,该设计考虑采用数码管进行显示。

2.5 时钟模块程序设计

该设计选择其中一个模块按照“标准晶振”的频率工作,将其作为参考源,其它时钟模块对其校时。参考源的主程序的流程图如图 3所示。图3中,设备启动后将自行加载时钟程序,对定时器进行初始化操作,完成后整理时钟自身的资源,并且查验上位机是否具备信息,若没有则返回上一步再次进行时钟的资源的整理,如有上位信息就继续对信息进行处理,并且查询是否到达数据时间,如果到数据时间则对数据进行处理,否则返回到时钟资源整理这一环节。

3 结语

通过以上原理,广播电视时钟同步发生器的设计得以实现,为广播电视技术维护人员在进行时钟的同步设备选型、维修和系统设计时提供了一定的帮助。

电源设计原理范文第8篇

关键词:应急照明 强制点亮 控制原理 接线方式

中图分类号:TU99 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(b)-0112-02

随着经济社会的发展和科技的进步,单体建筑面积越来越大、高度越来越高,聚集人员越来越多,当建筑物内部发生火灾时,应急照明对于保障建筑物内人员安全、及时疏散至关重要,避免造成重大人员伤亡。应急照明是指照明系统电源在故障或人为切断后,不再提供正常照明的情况下,用于保证疏散通道被有效地辨认和使用,确保处于潜在危险之中的人员安全疏散,同时还能保证消防设施场所正常活动以及消防队员进行灭火战斗的照明。应急照明包括备用照明和疏散照明。疏散照明包括疏散指示标志和疏散通道照明。

应急照明系统的型式包括:自带电源集中控制系统、自带电源非集中控制系统、集中电源集中控制系统和集中电源非集中控制系统等四种类型。随着建筑物的体量和高度的不断增加,以及建筑智能化管理要求的不断提高,集中电源集中控制型消防应急照明系统在大型公建的采用日愈广泛,市场上的份额逐年增加。目前各类非大型公共建筑,因自带电源非集中控制系统、集中电源非集中控制系统的造价相对低廉,此类系统仍是最主要的应急照明系统。

1 应急照明强制点亮控制原理

1.1 应急照明电源选择

为满足应急照明备用电源切换时间要求,应急照明一般采用EPS或蓄电池作为应急电源。应急照明灯分为自带电源型消防应急灯具和集中电源型消防应急灯具。自带电源型应急灯具为各灯具内自带蓄电池,其特点为占用面积小,维护点分散,维护工作量较大,但每个灯具内蓄电池故障时不会影响其它应急照明灯具供电,这种方式最早出现。集中电源型消防应急灯具指各灯具内无独立的蓄电池,灯具应急电源由集中设置的EPS(Emergency Power Supply应急电源)蓄电池组提供。EPS一般设置在消防控制室或电井的应急照明箱内,其特点是占用面积较大,便于维护,但是EPS蓄电池组出现故障将影响整个应急照明系统供电。因此,可根据工程需要选择应急电源供电方式。一般来说,应急灯具较少较分散的场所可选用自带电源型灯具,应急灯具较多的场所可选用集中电源EPS供电。

1.2 应急照明控制原理

根据《民用建筑电气设计规范》第13.8.1条,应急照明包括:备用照明、疏散照明和安全照明。《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-98)第6.3.1.8条规定:“消防控制室在确认火灾后,应能切断有关部位的非消防电源,并接通警报装置及火灾应急照明灯和疏散标志灯”,此处所指的火灾应急照明灯和疏散标志灯即为疏散照明。由此可得:当设有火灾自动报警系统时,应急照明中的疏散照明在火灾情况下应能强制点亮。

在实际工程应用中,常常采用正常照明的一部分兼疏散照明用,其分散的就地灯具开关状态是处在不确定的,事故停电时处于常亮状态的疏散指示灯和点亮状态的应急照明灯不存在自动点亮的问题,而处于熄灭状态的疏散标志灯和应急照明,就必须使其强制点亮。

(图1)为应急照明控制原理图。尽管应急照明的控制有多种方式,但其原理是相同的。如(图1)所示,在手动时,按下按钮S1,接触器线圈KM得电,其常开触点闭合,接触器完成自锁,接触器主触头吸合后输出强制点亮电源;自动时,火灾自动报警联动触头K接到来自火灾探测器的信号后闭合,接触器线圈KM得电,其常开触点闭合,接触器完成自锁,接触器主触头吸合后输出强制点亮电源。按下按钮S2后,接触器线圈失电,其常开触点复原,接触器主触头分闸后受控电源断电。

1.3 应急照明的非集中控制

走道、楼梯间等处的应急照明灯分散控制,其应急照明接线方式见图2~图4。其中(图2、3)为自带电源灯具,图2中灯具平时可正常使用,图3中灯具平时常灭;图4、图5为集中电源系统,图4中灯具平时可正常使用,(图5)中灯具平时常灭。

(图2)和(图3)中采用的灯具自带蓄电池,由光源、蓄电池及充电组件三部分组成,一般吸顶安装,灯具有四个接口分别为220V充电线、控制线、N线、PE线,220V充电线接入电源为蓄电池提供充电电源,控制线可接入开关控制灯具。

图2中平时交流接触器KM主触头处于打开状态,控制线不带电,而断路器处于合闸状态,L线带电;平时蓄电池处于充电状态,灯具可通过双控开关控制亮灭;市政停电时,蓄电池放电,灯自亮;火灾时,由于火灾报警联动触头K闭合,交流接触器KM主触头闭合,电源线及控制线均带电,双控开关无论出于何种位置,应急照明灯均被强制点亮。

图3中平时交流接触器KM主触头处于打开状态,控制线不带电,而断路器处于合闸状态,L线带电;平时蓄电池处于充电状态,灯具常灭;市政停电时,蓄电池放电,灯自亮;火灾时,由于火灾报警联动触头K闭合,交流接触器KM主触头闭合,控制线带电,应急照明灯被强制点亮。集中电源分散控制系统对应的图4、图5其控制原理与自带电源分散控制的原理相同,只是灯具内不再设置蓄电池,也无相应的充电元件。

这里需要强调一下,上述灯具处的双控开关不具备自动熄灭功能,在平时使用时不具备节能功能,此类双控开关不宜设置在疏散楼梯内。为了满足建筑节能的要求,目前已生产出具备满足消防强制转换功能的声光控、触摸式节能开关,能够很好地解决这个问题。

2 结语

消防应急照明在现代建筑中起着非常重要的作用,其设置应根据建筑物的使用特点、火灾危险程度等多方面因素进行考虑,严格遵守有关规范,选择合理的控制方式。民用建筑内的应急照明的控制及接线既要满足消防的要求,又要保证其可靠性。

参考文献

[1] JGJ 16-2008,民用建筑电气设计规范[S].

[2] GB 50116-98,火灾自动报警系统设计规范[S].

[3] GB 50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[4] GB 50045-95(2005年版),高层民用建筑设计防火规范[S].

电源设计原理范文第9篇

关键词:数字电源;非线性算法;快速响应

随着各种电子设备的井喷式发展,人们对电源的需求量越来越大,对电源的质量要求也越来越高。传统的电源已经不能满足人们越来越高的要求,而体积小、能耗低且高效的开关电源快速发展,逐渐取代了传统电源。开关电源主要可以分为数字开关电源和模拟开关电源两大类。模拟开关电源是使用模拟信号进行电源控制,是现在主要使用的开关电源设备,具有反应速度快、发展完善等优点。但是由于受到模拟信号本身不足的限制,一些集成度较高的控制器设备上使用模拟开关电源不能满足需求。数字开关电源是通过数字信号进行控制的开关电源,舍弃了模拟运放反馈网络,转而使用数模转换器、数字PID补偿,使得电源系统具有可编程控制、集成度高、灵活高效的特点。在业界认为数字电源在100W以上的设备中具有远高于模拟电源的经济性。虽然数字电源被称为模拟电源的替代者,但是由于数字电源采用ADC进行采样,这就造成了数字电源具有较高的反应时延。在精度越来越高的电子设备中,对时延的要求越来越高,因此实现数字电源的快速响应是数字电源发展的一大难题。笔者针对现有的非线性算法进行研究,最大限度上实现了数字电源的快速响应。

1数字电源设计结构

与模拟信号控制的开关电源不同,数字电源中不含有模拟的运算放大反馈电路等模拟信号的设计,取而代之的则是A/D信号转换电路、数字比例、积分、微分控制(DPID)电路等。具体设计模块图由图1所示[1]。如图1所示,在电源的前端模块包括ADC和Buck电路,其中在Buck电路中主要有基准电路和限流保护电路。前端模块与模拟信号控制的开关电源大致相同,与之不同的主要在数字控制器模块。在数字控制器模块中主要包括DPMW(显示器电源管理信号)、DPID以及软启动、PSW控制器和模式选择模块组成。经过试验验证,该结构的数字电源具有最高的经济效益。

2迟滞控制非线性算法的研究

通过以上分析可以得到,数字电源虽然具有模拟电源所不能比拟的优点,但是数字电源仍然存在着自身的固有缺陷。数字电源的动态响应速度远低于模拟电源,负载在阶跃时调整速度慢。为了弥补这些不足,实现数字电源的快速响应,在数字电源本身的线性控制下适当的引入非线性算法进行控制管理的操作。2.1非线性算法的原理介绍利用非线性算法来提高数字电源的动态响应是被现在主流学术界所公认的,世界上许多的大学都对其展开了研究。无论是加拿大女王大学研究的电荷平衡算法还是美国科罗拉多大学研究的非线性增益算法,归结起来其利用的原理均是:抛弃原有的数字电源在负载阶跃时使用的线性调整,转而使用非线性控制强行的提高系统的调整时效。2.2迟滞控制非线性算法原理迟滞控制算法的控制方式的基本原理是在负载阶跃时对输出电压和基准电压进行比较,如果满足迟滞比较器的标准则会跨越这个线性控制的开关周期,直接进入强制性的全开-全关的非线性控制周期,具体的原理如图2所示。如图2所示,在数字电源处于正常工作的稳定状态时,电源控制为线性控制;当数字电源处于动态时则采取全开-全关的非线性控制策略。具体思路为:当Vref-Vfb的值大于25mV时,输出的PVM的波为100%;当Vref-Vfb的值小于-25mV时,输出的PVM波为0%。在这两种状态中,输出电压与基准电压的差值满足迟滞控制器,因此采取的是非线性的控制策略。当|Vref-Vfb|的值小于25mV时,则会采取传统的线性控制策略。实验证明这样的控制策略可以提高电源的瞬时相应速度,可以提高响应达到2μs。2.3迟滞控制非线性算法设计对于迟滞控制非线性算法,其应用设计结构如图3所示[2]。与传统的数字电源相比较,该结构增加了高阈值比较器(V+)和低阈值比较器(V-)两个迟滞比价器。两个迟滞比较器的引入实现了线性控制与非线性控制之间的切换,从而实现了复合控制。为了和前文叙述保持一致性,在应用结构设计中将阈值设置为25mV。即当Vref与Vfb的差值大于25mV时,采用非线性对整体的电路结构进行控制,在Driver中输入的为非线性的逻辑输出。当Vref与Vfb的差值小于25mV时,对电路进行线性的控制,在Driver中输入的为正常情况下的线性控制输出的PWM波。如图4所示,为了简化系统结构,笔者将数字电源中的线性部分抽象为一部分[用G(s)表示],将非线性部分抽象成一部分[用N(s)表示]。假定非线性部分的频率为w,输入的振幅为E。这样便可以将线性部分与非线性部分构造成一个分段函数。通过傅里叶变换便可以构造成一个傅里叶函数,从而可以更好地进行下一步的分析处理。

3总结

数字电源是电源系统未来发展的方向,由于数字电源的固有不足使得数字电源现在难以完全取代模拟电源系统。提高数字电源的可用性,首先便是要提高数字电源的响应速度。要实现数字电源的快速响应,现在一般有两种公认的方法:数字PID补偿和非线性算法的研究。笔者从非线性算法入手,针对迟滞控制非线性算法展开研究。提出了一种改进的数字电源结构和非线性算法,并利用了稳定性分析中最重要的函数描述方法。经过试验,利用本非线性算法设计的数字电源系统可以有效地提高响应速度。

参考文献:

[1]陈昕.数字电源快速响应非线性算法和数字PID补偿的研究[D].成都:电子科技大学,2013.

[2]FRANKLINGF,POWELLJD,WORKMANM.DigitalControlofDynamicSystems[M].3版.北京:清华大学出版社,2009:165-166.

电源设计原理范文第10篇

【关键词】AP8012H 电能表 开关电源

现阶段,由于线性电源具有可靠高、设计简单等优点被单相电能表广泛采用,然而功耗高、效率低是它显著的缺点,这给国家电网公司每年浪费了大量的能源。国家电网公司为了倡导节能减排,对电能表的功耗开始严格的限制。线性电源方案的电能表已经无法满足国家电网的功耗要求,然而开关电源方案的电能表具有功耗低、效率高等优点,恰好可以弥补线性电源的缺点。

1 电能表对电源的指标要求

电源的输入从电网取电,电网的额定电压为:220VAC,由于电网的环境比较复杂,所以要求电源能够在85VAC~265VAC的电压环境下工作,并且具有抗雷击信号、脉冲群信号的能力。

电源的输出主要给电能表的各个模块供电,电能表的模块包括:计量模块、MCU及模块、继电器控制模块、载波通信模块、RS-485通信模块等,模块的具体要求如表1所示。

2 AP8012H介绍

AP8012H是无锡芯朋微电子股份有限公司(Chipown)研发的一款反激式开关电源控制芯片,内部集成了PWM控制器和800V高压MOSFET,采用SOP8封装,适用于6W以下的离线式开关电源。该芯片具有过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护,并且还集成了高压启动模块等功能。其特点是:低待机功耗、电路简单、固定工作频率、宽工作电压、完善的保护功能等。

3 基于AP8012H设计的开关电源原理

根据指标要求,原理框图如图1所示。

3.1 EMC处理设计

EMC处理电路主要有两个作用:

(1)滤除来自电网的雷击干扰、脉冲群干扰等,保护电源模块不被损坏;

(2)滤除开关电源自身产生的高频信号,避免污染电网和无线电。

主要通过压敏电阻、安规电容、共模电感组成滤波网络来实现,对于220Vac输入的电压,压敏电阻可以选用TDK品牌的20K420,安规电容可以选用0.1uF,共模电感可以选用33mH。

3.2 输入整流滤波电路设计

输入整流滤波主要的作用是:把电网50Hz的交流电压转换为直流电压。主要通过整流桥和高压电解电容来实现,电解电容的容量的设计可以根据以下公式取得:

式中,VDCmax一般取最小交流输入的0.15倍,Pin为输入功率,Dch为输入整流滤波电容的占空比,一般取0.2,Vlinemin为最小交流输入电压,fL为电网的频率,CDC为电容的容量。

3.3 高频变压器设计

根据电能表的指标要求,电源的最大功率为3.3W,初步评估高频变压器可以选用EE16磁芯,由于变压器的设计过程较为复杂,具体的参数设计不再介绍,最终设计的变压器初级圈数为:120圈,电感量为2mH,三个次级输出,圈数分别为:26圈、15圈、15圈,一个辅助绕组,圈数为28圈。

3.4 输出整流滤波电路设计

主要由整流二极管和电容组成。二极管选型的额定电流一般取输出电路的3倍,耐压根据输入电压的最大值,再根据变压器的匝比来计算,整流二极管的反向恢复时间也是很重要的一个参数,一般选用快恢复二极管;电容的容量大小主要决定了输出电压的纹波大小,主要根据输出电流和脉冲电压的频率取得。

3.5 LDO型号选择

LDO为低压差的三端稳压器,主要用于稳压输出,本原理框图的3个LDO输出电压为5V,电流在30mA到100mA之间,明达微品牌下的MD7550可以满足上述3个LDO的需求。MD7550的静态电流仅1.2uA,输入与输出的压差仅10mV,输出电流为100mA,非常适合低功耗的电源设计。

4 典型设计

如图2所示。

5 结束语

本文介绍了基于AP8012H设计的电能表开关电源,此电源已经在单相远程载波电能表上得到应用,并且已经通过了国家电网公司的检验测试,在测试的报告中,电能表的工作功耗仅0.4W,相比线性电源方案的电能表,功耗降低了50%,未来的使用,将为电力公司节约电能打下了基础。

⒖嘉南

[1]王志强等译.Switching Power Supplies A to Z精通开关电源设计[M].北京:人民邮电出版社

[2]卢佳慧.开关电源在电子式电能表中的应用[J].机电技术,2005.

作者单位

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