開關電源模塊

開關電源模塊

模塊電源
開關電源模塊是将開關電源上的分立元器件進行模塊化封裝,從而形成體積更小、功率密度更高的模塊電源,其内部電路也是開關電源。設計簡單、縮短開發周期、變更靈活、技術要求低、用途廣泛都是開關電源模塊的優點。DC/DC變換是将固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。 斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調制方式,ton不變,改變Ts(易産生幹擾)。
  • 中文名:開關電源模塊
  • 外文名:
  • 用途:
  • 分類:AC/DC和DC/DC兩大類
  • 優點:設計簡單,變更靈活,技術要求低
  • 作用:輸入保護電路、遙控開關電路等

産品簡介

開關電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類,DC/DC變換器現已實現模塊化,且設計技術及生産工藝在國内外均已成熟和标準化,并已得到用戶的認可,但AC/DC的模塊化,因其自身的特性使得在模塊化的進程中,遇到較為複雜的技術和工藝制造問題。

直流斬波

DC/DC變換是将固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。 斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調制方式Ts不變,改變ton(通用),二是頻率調制方式,ton不變,改變Ts(易産生幹擾)。其具體的電路由以下幾類:

(1) Buck電路――降壓斬波器,其輸出平均電壓Uo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Uo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Uo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Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性相反,電容傳輸。

當今軟開關技術使得DC/DC發生了質的飛躍, 美國VICOR公司設計制造的多種ECI軟開關DC/DC變換器,其 最大輸出功率有300W、600W、800W等,相應的功率密度為(6、2、10、17)W/cm3,效率為(80-90)%。 日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關技術的 高頻開關電源模塊RM系列,其開關頻率為(200~300)kHz,功率密度已達到27 W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替 肖特基二極管),是整個電路效率提高到90%。

AC/DC

AC/DC變換是将交流變換為直流,其功率流向可以是雙向的,功率流由電源流向負載的稱為“整流”,功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電,因必須經整流、濾波,因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的,同時因遇到安全标準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全标準的元件,這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于内部的高頻、高壓、大電流開關動作,使得解決EMC電磁兼容問題難度加大,也就對内部高密度安裝電路設計提出了很高的要求,由于同樣的原因,高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大,限制了AC/DC變換器模塊化的進程,因此必須采用 電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

AC/DC變換按電路的接線方式可分為,半波電路、全波電路。按電源相數可分為,單項、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。

優點

設計簡單。隻需一個電源模塊,配上少量分立元件,即可獲得電源。

縮短開發周期。模塊電源一般備有多種輸入、輸出選擇。用戶也可以重複叠加或交叉叠加,構成積木式組合電源,實現多路輸入、輸出,大大削減了樣機開發時間。

變更靈活。産品設計如需更改,隻需轉換或并聯另一合适電源模塊即可。

技術要求低。模塊電源一般配備标準化前端、高集成電源模塊和其他元件,因此令電源設計更簡單。

模塊電源外殼有集熱沉、散熱器和外殼三位一體的結構形式,實現了模塊電源的傳導冷卻方式,使電源的溫度值趨近于最小值。同時,又賦予了模塊電源金玉其表的包裝。

質優可靠。模塊電源一般均采用全自動化生産,并配以高科技生産技術,因此品質穩定、可靠。

用途廣泛:模塊電源可廣泛應用于航空航天、機車艦船、軍工兵器、發電配電、郵電通信、冶金礦山、自動控制、家用電器、儀器儀表和科研實驗等社會生産和生活的各個領域,尤其是在高可靠和高技術領域發揮着不可替代的重要作用。

作用

輸出電壓調節

對有TRIM或ADJ(可調節)輸出引腳的模塊電源産品,可通過電阻或電位器對輸出電壓進行一定範圍内的調節,一般調節範圍為±10%。

對TRIM管腳,将電位器的中心與TRIM相連,在有+S,-S管腳的模塊中,其他兩端分别接+S、-S,沒有+S、-S時将兩端分别接到相應主路的輸出正負極上,調節電位器即可。電位器的阻值一般選用5KΩ~10KΩ比較合适。

對ADJ輸出引腳,分為輸入邊調節與輸出邊節。輸出邊調節與TRIM引腳的調節方式一樣。輸入邊調節隻能上調輸出電壓,此時将電位器的其中一端與中心相接,另一端接輸入端的地。

輸入保護電路

一般模塊電源産品都有内置濾波器,能滿足一般電源應用的要求。如果需要更高要求的電源系統,應增加輸入濾波網絡。可以采用LC或π型網絡,但應注意盡量選擇較小的電感和較大的電容。

為了防止輸入電源瞬态高壓損壞模塊電源,建議用戶在輸入端接瞬态吸收二極管并配合保險絲使用,以确保模塊在安全的輸入電壓範圍之内。為了降低共模噪聲,可以增加Y(Cy)電容,一般選擇幾nf高頻電容。R為保險絲,D1為保護二極管,D2為瞬态吸收二極管(P6KE系列)。

遙控開/關電路

模塊電源的遙控開關操作,是通過REM端進行的。一般控制方式有兩種:

(1)REM與-VIN(參考地)相連,遙控關斷,要求VREF<0.4V。REM懸空或與+VIN相連,模塊工作,要求VREM>1V。

(2)REM與VIN相連,遙控關斷,要求VREM<0.4V。REM與+VIN相連,模塊工作,要求VREM>1V。REM懸空,遙控關斷,即所謂“懸空關斷”(-R)。

如果控制要與輸入端隔離,則可以使用光電耦合器作為傳遞控制信号。

模塊組合

(1)并聯擴容。将相同模塊輸出端并聯,可使輸出能力增強,但并聯模塊的輸出電壓要調整得比較一緻,以保證相對均流,同時避免不必要的振蕩。對有較大電流輸出的模塊,還可以仔細設計引線電阻,以達到均流效果。用這種方法并聯的模塊,不宜超過2個。同時,如果其中一塊模塊輸出有故障,整個系統都将不能正常工作。并聯擴容連接電路RL為負載。

(2)冗餘熱備份并聯。将相同的模塊輸出端通過二極管後并聯可使輸出能力增強,以提高電源系統的可靠性。原則上如果配合相應輸出報警電路,将模塊放在可以拆卸的母線上,這樣,出現故障的模塊可以及時更換。用這種方法并聯的模塊,沒有量限制。D一般為肖特基二極管。

(3)串聯擴容。将相同模塊輸出端串聯,可使輸出電壓倍增,功率也相應增加,而串聯輸出端須接二極管以進行保護。

鈴流備份

鈴流發生器主要用于電話局交換機給電話用戶提供振鈴,一般是在偏置狀态下使用。偏置可分為正偏置和負偏置。為了提高鈴流系統的可靠性,需要對鈴流進行備份。

應用領域

開關電源模塊應用在幾大方面

1.電力,主要有集成器和電表以及智能電表

2.工控, 工業控制領域

3.醫療,醫療設備,主要有護胎儀,監護儀等等

4.軍工,軍工業是應用很廣泛的一個方面。軍用設備裡。

EMI抑制

1MHZ以内,以差模幹擾為主。

①增大X電容量;

②添加差模電感;

③小功率電源可采用 PI 型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。

1MHZ-5MHZ,差模共模混合,采用輸入端并聯一系列 X 電容來濾除差摸幹擾并分析出是哪種幹擾超标并以解決,

①對于差模幹擾超标可調整 X 電容量,添加差模電感器,調差模電感量;

②對于共模幹擾超标可添加共模電感,選用合理的電感量來抑制;

③也可改變整流二極管特性來處理一對快速二極管如 FR107 一對普通整流二極管1N4007。

5M以上,以共摸幹擾為主,采用抑制共摸的方法。

對于外殼接地的,在地線上用一個磁環串繞 2-3 圈會對 10MHZ 以上幹擾有較大的衰減作用; 可選擇緊貼變壓器的鐵芯粘銅箔, 銅箔閉環. 處理後端輸出整流管的吸收電路和初級大電路并聯電容的大小。

20-30MHZ,

①對于一類産品可以采用調整對地Y2 電容量或改變Y2 電容位置;

②調整一二次側間的Y1 電容位置及參數值;

③在變壓器外面包銅箔;變壓器最裡層加屏蔽層;調整變壓器的各繞組的排布。

④改變PCB LAYOUT;

⑤輸出線前面接一個雙線并繞的小共模電感;

⑥在輸出整流管兩端并聯RC濾波器且調整合理的參數;

⑦在變壓器與MOSFET之間加BEAD CORE;

⑧在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容。

⑨可以用增大MOS驅動電阻.

30-50MHZ,普遍是MOS管高速開通關斷引起。

①可以用增大MOS驅動電阻;

②RCD緩沖電路采用1N4007 慢管;

③VCC供電電壓用1N4007 慢管來解決;

④或者輸出線前端串接一個雙線并繞的小共模電感;

⑤在MOSFET的D-S腳并聯一個小吸收電路;

⑥在變壓器與MOSFET之間加BEAD CORE;

⑦在變壓器的輸入電壓腳加一個小電容;

⑧PCB心LAYOUT 時大電解電容,變壓器,MOS構成的電路環盡可能的小;

⑨變壓器,輸出二極管,輸出平波電解電容構成的電路環盡可能的小。

50-100MHZ,普遍是輸出整流管反向恢複電流引起。

①可以在整流管上串磁珠

②調整輸出整流管的吸收電路參數;

③可改變一二次側跨接Y電容支路的阻抗,如PIN腳處加BEAD CORE或串接适當的電阻;

④也可改變MOSFET,輸出整流二極管的本體向空間的輻射(如鐵夾卡MOSFET; 鐵夾卡DIODE,改變散熱器的接地點);

⑤增加屏蔽銅箔抑制向空間輻射。

200MHZ以上,開關電源已基本輻射量很小,一般可過EMI标準。

補充說明:

開關電源高頻變壓器初次間一般是屏蔽層的,以上未加綴述。開關電源是高頻産品,PCB的元器件布局對EMI,請密切注意此點。

開關電源若有機械外殼,外殼的結構對輻射有很大的影響,請密切注意此點。主開關管、主二極管不同的生産廠家參數有一定的差異,對 EMC 有一定的影響,請密切注意此點

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