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    電源發展史

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    電源分類及常規知識
    “我想DIY開關電源,要具備哪些理論知識、實踐技能和工程素質???”
    “如何從給定的設計規格設計出開關電源?具體步驟是什么?”
    “開關電源中的電感、變壓器怎么自己制作?控制芯片如何選型?”
    “如何選擇磁芯外形、變頻器類型、工作頻率、計算各種參數呢?”
    “如何進行優化和折中?”
    ……
    電源是一切電子設備的心臟,沒有電源,電子設備就不可能工作。雖然市面上有很多介紹開關電源的書籍,但仍然缺少快速入門及經驗總結類的資料,所以,盡管資料豐富,但還是有很多人不知道怎樣利用。當然這篇文檔只是入門介紹,深入研究還要看其他專著。
    從電網得到的交流電或由電池取得的直流電是隨環境溫度、時間和負載所變化的,它們不能直接成為電子設備所需的內部電源。電子設備由于要完成許多高級的功能,對其供電電源的精度隨環境的變化,動態響應能力,還有很多其他的指標都有非常高的要求。將電網或電池的一次電能轉換為符合電子設備要求的二次電能,這樣的變換設備就是我們這里要講的電源。
    隨著片狀電子元件、表面安裝技術及大規模集成電路的發展,電子產品越來越小型化、輕型化,如何縮小電源的體積減輕重量,提高電源的轉換效率,增強對電網電壓的適應性,是人們致力于研究的重點。
    一個比較好的解決方案是:以輕巧的高頻變壓器取代笨重的工頻變壓器,采用脈沖調制技術的直流--直流變換器型穩壓電源,即我們馬上就要講到的開關電源。
    開關電源具有管耗小、效率高、穩壓范圍寬及體積小、重量輕等優點,目前已在各種電子儀器和設備、航空和宇宙飛行器、發射機、電子計算機、通訊設備和電視機、錄放像機等中得到了廣泛應用。
    開關電源按變換方式可分為以下四大類:
    1、AC/DC 開關電源
    2、DC/DC 開關電源
    3、DC/AC 逆變器
    4、AC/AC 變頻器
    目前只將前面兩類稱為開關電源,將后面兩類分別稱為逆變器和變頻器。
    開關電源按應用方式可分為以下三大類:
    1、外置電源
    與設備分開放置的電源模塊或電源系統,如:
    ---通信用一次電源模塊和系統
    ---電力操作電源模塊和系統
    ---手機電池充電器
    ---筆記本電腦的Adapter
    ---各類手提設備、便攜設備的電池充電器等等
    2、內置電源
    放在設備內部的電源模塊或電源系統,如:
    ---計算機內部的SilverBox和VRM
    ---家電(如:普通電視機、等離子電視機、液晶電視機)內部的供電電源
    ---工業控制設備內部的電源
    ---儀器中使用的電源
    ---通信設備內部的電源模塊和系統
    ---復印機、傳真機、打印機等的內部電源等等
    3、板上電源
    放在設備內單板上的電源模塊,如:
    ---標準磚類電源(全磚、半磚、1/4磚、1/8磚)
    ---非隔離POL(Point of Load 負載點)變換器
    ---VRM(Voltage regulator module電壓調節模塊)和VRD(Voltage regulator down)
    ---小功率SMD電源
    ---SIP和DIP電源等等
    開發一個開關電源產品所需要的基本技能:
    1、認識組成開關電源的所有元器件
    2、掌握各種元器件的電氣性能和電路符號
    3、會自己制作各種磁芯元件
    4、會正確裝配電源中的各個部分
    5、了解電源各項指標的意義并掌握如何測試的方法
    6、會使用儀器對裝配后的電源進行正確的調試,優化和折中
    7、會對獲得的實驗結果進行分析,并進行總結
    8、會從不同渠道不斷地學習電源知識并能夠和別人交流
    開發一個開關電源產品所需要的專業理論知識:
    1、有源PFC的拓撲分析,控制與設計
    2、DC/DC功率變換器的拓撲與穩態分析
    3、開關電源的功率級參數設計
    4、開關電源的控制與動態分析
    5、開關電源的小信號分析與設計
    6、開關電源的大信號分析與設計
    7、開關電源的EMI分析與設計
    8、開關電源的熱分析與設計
    9、開關電源的容差分析與設計
    10、開關電源的各種保護技術
    11、開關電源的同步整流技術
    12、開關電源的模塊均流控制技術
    有些技術很成熟了,只要查表或者使用現成電路或專用芯片就可以做好。EMI比較困難,因為元件特性會變化。
    ATX電源:一個非常容易找到的開關電源就是PC機里用的ATX電源了。拆開電源可以看到里面的構造:
    1、220V 50HZ交流輸入
    2、保險管
    3、交流互感濾波(對高于50HZ高次諧波濾波,避免對后面電路的高頻干擾)
    4、二極管橋式整流電路
    5、濾波電容
    6、開關管
    7、開關變壓器
    8、輔助電源(為電源監控部件、保護電路、控制電路等電路供電。)
    9、開關激勵脈沖形成電路(集成電路TL494和LM339比較器,開關振蕩穩壓控制,控制開關管)
    10、光耦/激勵變壓器(將激勵脈沖送到開關管的橋梁)
    11、高頻濾波電感和電容(濾除高次諧波)
    12、直流電壓輸出
    ATX接口定義:(有防插反缺口)
    ATX主板電源接口
    +3.3VDC +3.3VDC COM +5VDC COM +5VDC COM PWR_OK +5VSB +12VDC
    +3.3VDC -12VDC COM PS_ON# COM COM COM -5VDC +5VDC +5VDC
    硬盤、光驅電源接口:+12VDC COM COM +5VDC
    軟驅電源接口:+5VDC COM COM +12VDC
    AUX電源接口:COM COM COM +3.3VDC +3.3VDC +5VDC
    p4主板12V電源接口:COM COM +12VDC +12VDC
    ATX采用顏色區分,僅憑顏色就可以知道電壓值:
    白色 -5V;紅色 +5V;黑色 地;黃色 +12V;藍色 -12V;橙色 +3.3V;灰色 POW_OK +5V 開機自檢啟動信號;紫色 +5VSB 待機電源;綠色 PS_ON# +5V 電源啟??刂?。
    幾個控制信號的說明:
    POW_OK信號(在AT電源中及部分電源板上稱P.G信號)為微機開機自檢啟動信號,為了防止開機時各路輸出電路時序不定,CPU或各部件未進入初始化狀態造成工作錯誤及突然停電時,硬盤磁頭來不及移至著陸區造成盤片劃傷,微機電源中均設置了POW_OK信號。
    PS_ON#信號:ATX電源最主要的特點就是,它不采用傳統的市電開關來控制電源是否工作,而是采用“+5VSB、PS_ON#”的組合來實現電源的開啟和關閉,只要控制 “PS_ON#”信號電平的變化,就能控制電源的開啟和關閉。電源中的S-ON控制電路接受PS_ON#信號的控制,當“PS_ON#”小于1V伏時開啟電源,大于4.5伏時關閉電源。主機箱面上的觸發按鈕開關(非鎖定開關)控制主板的“電源監控部件”的輸出狀態,同時也可用程序來控制“電源監控件”的輸出,如在WIN9X平臺下,發出關機指令,使“PS_ON#”變為+5V,ATX電源就自動關閉。
    +5VSB:待機電源,上電后一直存在,該輸出連接到ATX主板的“電源監控部件”,作為它的工作電壓,使操作系統可以直接對電源進行管理。通過此功能,實現遠程開機,完成電腦喚醒功能。
    ATX電源需要短接PS_ON#和COM(即ATX主板電源接口的14腳和15腳短接)才能啟動(此時電源散熱風扇轉動)。
    開關電源變壓器設計
    開關電源變壓器是開關電源中的核心部件,作用有三:磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。由于開關變壓器的工作頻率很高,因此它的體積和重量比工頻變壓器大為縮小,同時變壓器的分布參數亦不能忽略。設計時需要考慮磁芯材料選擇,磁芯與線圈的結構,繞制工藝等。
    開關電源變壓器工作于高頻狀態,分布參數有漏感、分布電容和電流趨膚效應。一般根據開關電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值,在變壓器的線圈結構設計中實現,而趨膚效應則作為選擇導線規格的條件之一。
    開關電源變壓器的工作狀態與開關型功率變換器的電路形式有關,一般根據功率大小,使用要求,采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式,開關電源變壓器工作狀態也不同,對開關電源變壓器也提出了不同的設計要求。
    變換器形式有:雙極性(推挽式、全橋式、半橋式),單端正激式,單端反激式等。
    開關電源變壓器中使用的是軟磁材料。比如:鐵氧體材料。鐵氧體材料很容易加工成各種形狀,可根據開關變壓器的電路類型、使用要求、功率等級、經濟指標等選用合適的磁芯形狀。磁芯型號主要有:EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每種型號又有很多尺寸規格可以選擇。
    開關電源變壓器參數計算:漏感計算、分布電容計算、穿透深度(導線選擇)、交流電阻計算、電流有效值。
    開關電源變壓器設計
    設計內容:
    1、磁芯規格
    2、匝數與導線規格
    3、損耗與溫升
    4、導線結構:多股線或扁平線
    5、繞組結構:多層或分段饒制
    6、端空設計:按絕緣電位設計端空
    設計條件:
    1、電路形式:給出變換器的形式,輸入輸出電路及所用元器件
    2、工作頻率或周期
    3、變換器輸入最高、最低電壓
    4、輸出電壓和電流
    5、開關管最大導通時間
    6、開關管導通電壓降及整流二極管正向電壓降
    7、隔離電位
    8、要求的漏感或分布電容
    9、溫升要求
    10、磁芯形狀
    11、工作環境條件
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