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来源:http://www.360yptsh.com 编辑:www.ag88.com 时间:2018/09/25

  开关电源规划


电子产品,特别是军用稳压电源的规划是一个体系工程,不光要考虑电源自身参数规划,还要考虑电气规划、电磁兼容规划、热规划、安全性规划、三防规划等方面。因为任何方面那怕是最细小的忽略,都可能导致整个电源的溃散,所以咱们应充沛认识到电源产品牢靠性规划的重要性。

1 开关电源电气牢靠性规划

1.1 供电办法的挑选

会集式供电体系各输出之间的误差以及因为传输间隔的不同而形成的压差下降了供电质量,并且运用单台电源供电,当电源发作毛病时可能导致体系瘫痪。分布式供电体系因供电单元挨近负载,改善了动态呼应特性,供电质量好,传输损耗小,功率高,节约能源,牢靠性高,简单组成N+1冗余供电体系,扩展功率也相对比较简单。所以选用分布式供电体系能够满意高牢靠性设备的要求。

1.2 电路拓扑的挑选

开关电源一般选用单规矩激式、单端反激式、双管正激式、双单规矩激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单规矩激式、单端反激式、双单规矩激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上,假如按60%降额运用,则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能呈现单向偏磁饱满,使开关管损坏,而半桥电路因为具有主动抗不平衡才能,所以就不会呈现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压,即便按60%降额运用,选用开关管也比较简单。在高牢靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。

1.3 操控战略的挑选

在中小功率的电源中,电流型PWM操控是很多选用的办法,它较电压操控型有如下长处:逐周期电流约束,比电压型操控更快,不会因过流而使开关管损坏,大大减小过载与短路的维护;优秀的电网电压调整率;快捷的瞬态呼应;环路安稳,易补偿;纹波比电压操控型小得多。生产实践标明电流操控型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右,远优于电压操控型。
硬开关技能因开关损耗的约束,开关频率一般在350kHz以下,软开关技能是运用谐振原理,使开关器材在零电压或零电流状态下通断,完结开关损耗为零,然后可将开关频率进步到兆赫级水平,这种运用软开关技能的变换器归纳了PWM变换器和谐振变换器两者的长处,挨近抱负的特性,如低开关损耗、恒频操控、适宜的储能元件尺度、较宽的操控规模及负载规模,可是此项技能首要运用于大功率电源,中小功率电源中仍以PWM技能为主。

1.4 元器材的选用

因为元器材直接决议了电源的牢靠性,所以元器材的选用非常重要。元器材的失效首要会集在以下四个方面:

(1)制作质量问题

质量问题形成的失效与作业应力无关。质量不合格的能够经过严厉的查验加以除掉,在工程运用时应选用定点生产厂家的老练产品,不允许运用没有经过认证的产品。

(2)元器材牢靠性问题

元器材牢靠性问题即根本失功率的问题,这是一种随机性质的失效,与质量问题的区别是元器材的失功率取决于作业应力水平。在必定的应力水平下,元器材的失功率会大大下降。为除掉不契合运用要求的元器材,包含电参数不合格、密封功用不合格、外观不合格、安稳性差、前期失效等,应进行挑选实验,这是一种非损坏性实验。经过挑选可使元器材失功率下降1~2个数量级,当然挑选实验价值(时刻与费用)很大,但归纳修理、后勤保障、整架联试等仍是合算的,研发周期也不会延伸。电源设备首要元器材的挑选实验一般要求:
①电阻在室温下按技能条件进行100%测验,除掉不合格品。
②一般电容器在室温下按技能条件进行100%测验,除掉不合格品。
③接插件按技能条件抽样检测各种参数。
④半导体器材按以下程序进行挑选:
目检→初测→高温贮存→凹凸温冲击→电功率老化→高温测验→低温测验→常温测验
挑选完毕后应核算除掉率Q
Q=(n / N)×100%
式中:N——受试样品总数;
n——被除掉的样品数;
假如Q超越规范规则的上限值,则本批元器材悉数禁绝上机,并按有关规则处理。

  在契合规范规则时,则将挑选合格的元器材打漆点标示,然后入专用仓库供装机运用。

(3)规划问题

首先是恰当地选用适宜的元器材:

  ①尽量选用硅半导体器材,少用或不必锗半导体器材。
②多选用集成电路,削减分立器材的数目。
③开关管选用MOSFET能简化驱动电路,削减损耗。
④输出整流管尽量选用具有软康复特性的二极管。
⑤应挑选金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器材。制止选用塑料封装的器材。
⑥集成电路有必要是一类品或者是契合MIL-M-38510、MIL-S-19500规范B-1以上质量等级的军品。
⑦规划时尽量少用继电器,确有必要时应选用触摸杰出的密封继电器。
⑧准则上不选用电位器,有必要保存的应进行固封处理。
⑨吸收电容器与开关管和输出整流管的间隔应当很近,因流过高频电流,故易升温,所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。
在湿润和盐雾环境下,铝电解电容会发作外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等状况,所以在舰船和湿润环境,最好不要用铝电解电容。因为受空间粒子炮击时,电解质会分化,所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。 钽电解电容温度和频率特性较好,耐凹凸温,贮存时刻长,功用安稳牢靠,但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压种类(>125V)较少、价格昂贵。

  关于降额规划:

电子元器材的根本失功率取决于作业应力(包含电、温度、振荡、冲击、频率、速度、磕碰等)。除个别低应力失效的元器材外,其它均表现为作业应力越高,失功率越高的特性。为了使元器材的失功率下降,所以在电路规划时要进行降额规划。降额程度,除牢靠性外还需考虑体积、分量、本钱等要素。不同的元器材降额规范亦不同,实践标明,大部分电子元器材的根本失功率取决于电应力和温度,因此降额也首要是操控这两种应力,以下为开关

  电源常用元器材的降额系数:

①电阻的功率降额系数在0.1~0.5之间。
②二极管的功率降额系数在0.4以下,反向耐压在0.5以下。
③发光二极管电压降额系数在0.6以下,功率降额系数在0.6以下。
④功率开关管电压降额系数在0.6以下,电流降额系数在0.5以下。
⑤一般铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.3~0.7之间。
⑥钽电容的电压降额系数在0.3以下。
⑦电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。

  (4)损耗问题
损耗引起的元器材失效取决于作业时刻的长短,与作业应力无关。铝电解电容长时刻在高频下作业会使电解液逐步丢失,一起容量亦同步下降,当电解液丢失40%时,容量下降20%;电解液丢失0%时,容量下降40%,此刻电容器芯子已根本干枯,不能再予运用。为防止发作毛病,一般状况下应在图纸上标明铝电解电容器替换的时刻,到期逼迫替换。

1.5 维护电路的设置

为使电源能在各种恶劣环境下牢靠地作业,应设置多种维护电路,如防浪涌冲击、过压、欠压、过载、短路、过热等维护电路。

2 电磁兼容性(EMC)规划

开关电源因选用脉冲宽度调制(PWM)技能,其脉冲波形呈矩形,上升沿与下降沿均包含很多的谐波成分,别的输出整流管的反向康复也会发作电磁搅扰(EMI),这是影响牢靠性的晦气要素,因此使电磁兼容性成为体系的重要问题。

发作电磁搅扰有三个必要条件:搅扰源、传输介质、灵敏的接纳单元,EMC规划就是损坏这三个条件中的一个。

  关于开关电源而言,首要是按捺搅扰源,搅扰源会集在开关电路与输出整流电路。选用的技能包含滤波技能、布局与布线技能、屏蔽技能、接地技能、密封技能等。EMI按传达途径分为传导搅扰和辐射搅扰。传导噪声的频率规模很宽,从10kHz~30MHz,咱们尽管知道发作搅扰的原因,但从功率上来讲,经过操控脉冲波形的上升与下降时刻来处理未必是一个好
办法,处理办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路,参见图2。电源EMI滤波器实践上是一种低通滤波器,它毫无衰减地把50Hz或400Hz沟通电能传递给电子设备,却大大衰减传入的搅扰信号,一起又能按捺设备自身发作的搅扰信号,防止它窜入电网,损害公网其它设备。挑选EMI滤波器是依据插入损耗的巨细来挑选滤波器网络结构和元器材参数,依据实践要求挑选额外电压、额外电流、漏电流、绝缘电阻、温度条件等参数。电源EMI滤波器最好设备在机壳电源线进口的插座邻近。按捺输出噪声的对策根本上按10kHz~150kHz、150kHz~10MHz、10MHz以上三个频段来处理。10kHz~150kHz规模内首要是常态噪声,一般选用通用LC滤波器来处理。150kHz~10MHz规模内首要是共模成分的噪声,一般选用共模按捺滤波器来处理。共模扼流圈要选用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性资料,电感量在(1~2)mH、电容量在3300pF~4700pF之间,假如操控低频段的噪声,能够恰当加大LC的取值。在10MHz以上频率段的对策是改善滤波器的外形。输出整流二极管的反向康复也会引起电磁搅扰,这种状况能够选用RC吸收电路来按捺电流的上升率,一般R在(2~20)Ω之间,C在1000pF~10nF之间,C应选用高频瓷介电容。

杰出的布局和布线技能也是操控噪声的一个重要手法。为削减噪声的发作和防止由噪声导致的误动作,应留意以下几点:

  ①尽量缩小由高频脉冲电流所围住的面积。环亚娱乐ag88手机版
②缓冲电路尽量靠近开关管和输出整流二极管。
③脉冲电流流过的区域远离输入输出端子,使噪声源和出口别离。
④操控电路和功率电路分隔,选用单点接地办法,大面积接地简单引起天线作用,所以主张不要选用大面积接地办法。
⑤必要时能够将输出滤波电感安顿在地回路上。
⑥选用多只低ESR(等效串联电阻)的电容并联滤波。
⑦选用铜箔进行低感低阻配线。
⑧相邻印制线之间不该有过长的平行线,走线尽量防止平行,选用笔直穿插办法,线宽不要骤变,也不要俄然角落。制止环形走线。
⑨滤波器的输入和输出线有必要分隔。制止将开关电源的输入线和输出线捆扎在一起。

  关于辐射搅扰首要运用密封屏蔽技能,在结构上实施电磁关闭,要求外壳各部分之间具有杰出的电磁触摸,以确保电磁的接连性。目前为削减分量大都选用铝合金外壳,但铝合金导磁功用差,因此外壳需求镀一层镍或喷涂导电漆,内壁贴覆高导磁率的屏蔽资料。外壳永久衔接处用导电胶粘牢或选用接连焊缝结构,需拆开的能够用导电橡胶条压紧来确保电磁连
续性。导电资料要求导电功用高、有弹性、具有最小的宽厚比。

3 电源设备牢靠性热规划

除了电应力之外,温度是影响设备牢靠性最重要的要素。电源设备内部的温升将导致元器材的失效,当温度超越必定值时,失功率将呈指数规则添加,温度超越极限值时将导致元器材失效。国外统计资料标明电子元器材温度每升高2℃,牢靠性下降10%;温升50℃时的寿数只要温升25℃时的1/6。需求在技能上采纳办法约束机箱及元器材的温升,这就是热规划。

热规划的准则,一是削减发热量,即选用更优的操控办法和技能,如移相操控技能、同步整流技能等,别的就是选用低功耗的器材,削减发热器材的数目,加大加粗印制线的宽度,进步电源的功率。二是加强散热,即运用传导、辐射、对流技能将热量搬运,这包含选用散热器、风冷(天然对流和逼迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等办法。

逼迫风冷的散热量比天然冷却大十倍以上,可是要添加风机、风机电源、联锁设备等,这不只使设备的本钱和复杂性添加,并且使体系的牢靠性下降,别的还添加了噪声和振荡,因此在一般状况下应尽量选用天然冷却,而不选用风冷、液冷之类的冷却办法。在元器材布局时,应将发热器材安放在劣势方位或在印制板的上部,散热器选用氧化发黑工艺处理,以进步辐射率,不允许用黑漆涂覆。喷涂三防漆后会影响散热作用,需求恰当加大裕量。散热器设备器材的平面要求润滑平坦,一般在触摸面涂上硅脂以进步导热率。变压器和电感线圈应选用较粗的导线来按捺温升。

4 安全性规划

关于电源而言,安全性向来被确定为最重要的功用之一,不安全的产品不光不能完结规则的功用,并且还有可能发作严重事端,形成机毁人亡的巨大丢失。为确保产品具有适当高的安全性,有必要进行安全性规划。电源产品安全性规划的内容首要是防止触电和烧伤。

关于商用设备商场,具有代表性的安全规范有UL、CSA、VDE等,内容因用处而异,容许走漏电流在0.5mA~5mA之间,我国军用规范GJB1412规则的走漏电流小于5mA。电源设备对地走漏电流的巨细取决于EMI滤波器电容Cy的容量,如图2所示。从EMI滤波器视点动身电容Cy的容量越大越好,但从安全性视点动身电容Cy的容量越小越好,电容Cy的容量依据安全规范来决
定。若电容Cx的安全功用欠佳,凯发娱乐全球公开财富。电网瞬态尖峰呈现时可能被击穿,它的击穿尽管不危及人身安全,但会使滤波器损失滤波功用。为了防止误触电,插头座准则上产品端(非电源端)为针,电网端(电源端)为孔;电源设备之输入端为针,输出端为孔。为了防止烧伤,关于可能与人体触摸的露出部件(散热器、机壳等),当环境温度为25℃时,其最高温度不该超越60℃,面板和手动调理部分的最高温度不超越50℃。

5 三防规划

三防规划是指防潮规划、防盐雾规划和防霉菌规划。
在规划时,关于密封有要求的元器材应采纳密封办法;关于不行修正的组合设备可选用环氧树脂灌封;所用元器材、原资料的吸湿度应较小,不得运用含有棉、麻、丝等易霉制品;对密封机箱、机柜应设置防护网,以防昆虫和啮齿动物进入;直接露出在大气中设备的外顶部不该选用洼陷结构,防止积水导致腐蚀;能够选用耐蚀资料,再经过镀、涂或化学处理使电子设备及其零部件的外表掩盖一层金属或非金属维护膜,阻隔周围介质;在结构上选用密封或半密封方式来阻隔外部晦气环境;对印制板及组件外表涂覆专用的三防清漆能够有效地防止导线之间的电晕、击穿,进步电源的牢靠性;电感、变压器应进行浸漆、端封,以防潮气进入引发短路事端。

结语

以上主张只适用于军用电源,关于商用和工业用产品能够在某些方面作出不同的挑选。总归,电源设备牢靠性的凹凸,不只与电气规划,并且同元器材、结构、安装、工艺、加工质量等方面有关。牢靠性是以规划为根底,在实践工程运用上,还应经过各种实验获得反应数据来完善规划,进一步进步电源的牢靠性。 (修改:光亮)

 

  

   LED开关电源三防规划电磁兼容规划

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