DZ096開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)

DZ096開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì),dz096,開(kāi)關(guān)電源,應(yīng)用,利用,運(yùn)用,液晶顯示器,電源,設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用——液晶顯示器電源的設(shè)計(jì)一 研究開(kāi)關(guān)電源的意義電源是電子設(shè)備的心臟部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障 60%來(lái)自電源，因此，電源越來(lái)越受人們的重視。現(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是變換效率低，一般只有 35%-60%；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達(dá) 70%-95%。因此目前空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、電視及家用電器中的穩(wěn)壓電源逐步被開(kāi)關(guān)電源所取代 [1] 。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在： 1.功耗小　由于開(kāi)關(guān)管功率損耗小，因而不需要采用大散熱器。功耗小使得電子設(shè)備內(nèi)溫升也低，周圍元件不會(huì)因長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下而損壞，這有利于提高整個(gè)電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。2.穩(wěn)壓范圍寬　當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸入的交流電壓在 150～250V 范圍內(nèi)變化時(shí)，都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的變化在 2％以下。而且在輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，始終能保持穩(wěn)壓電路的高效率，因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源能適用于電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大的地區(qū)。3.體積小、重量輕　開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過(guò)高頻變壓器獲得各種不同交流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。4.安全可靠　開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路一般都具有自動(dòng)保護(hù)電路。當(dāng)穩(wěn)壓電路、高壓電路、負(fù)載等出現(xiàn)故障或短路時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，其保護(hù)功能靈敏、可靠 [1] 。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制 IC 和 MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義 [2] 。二 國(guó)內(nèi)外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有 300 多家，形成規(guī)模的有十多家。國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)電源已占據(jù)了相當(dāng)市場(chǎng)，一些大公司如中興通訊自主開(kāi)發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認(rèn)同，在電源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中頗具優(yōu)勢(shì)，并有少量開(kāi)始出口。他們已經(jīng)逐步做到功能齊全，質(zhì)量穩(wěn)定，并能實(shí)行全智能，無(wú)人值守，基本上接近國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品。但由于我國(guó)配套工業(yè)落后，有些元器件還得依賴進(jìn)口。目前國(guó)外電信電源中實(shí)際應(yīng)用最多的開(kāi)關(guān)整流器是采用 PWM 技術(shù)的 MOSFET 開(kāi)關(guān)整流器，開(kāi)關(guān)整流器的發(fā)展趨勢(shì)是向高頻大功率智能化發(fā)展，現(xiàn)在澳大利亞，加拿大，日本等國(guó)家可以生產(chǎn) 200A 的 MOSFET 開(kāi)關(guān)整流器（模塊） 。此外采用諧振變換技術(shù)的 48V/200A 開(kāi)關(guān)整流器也是目前典型的新一代大功率開(kāi)關(guān)整流器產(chǎn)品 [3] 。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化。國(guó)外目前都在致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用 SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄 [4] 。高效率。為了使開(kāi)關(guān)電源較、小、薄，高頻化是必然發(fā)展趨勢(shì)。而高頻化又必然使傳統(tǒng)的 PWM開(kāi)關(guān)功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、本電流關(guān)斷的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將成為開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品未來(lái)的主流。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到 85～88%。據(jù)悉，美國(guó) WICOR開(kāi)關(guān)電源公司設(shè)計(jì)制造了多種 ECZ較開(kāi)關(guān) DC／DC 變換器，其最大輸出功率有 800W、600W、300W 等，相應(yīng)的功率密度為6.2、10、17w／cm3，效率為 80～90%；日本 NemicLambda公司剛推出一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊 RM系列（日本人稱這種技術(shù)為“部分諧振”），開(kāi)關(guān)頻率 200—300kHz，功率密度 27W／cm3，用同步整流器（即用 MOS－FER 代替肖特基二級(jí)管）使整個(gè)電路效率提高到 90%。高可靠。開(kāi)關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長(zhǎng)要從設(shè)計(jì)方面著眼，而不是從使用方面著想。美國(guó)一公司通過(guò)降低給溫、減少器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其 DC／DC 開(kāi)關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的 MTBF高達(dá) 100萬(wàn)小時(shí)以上。模塊化。無(wú)論是 AC／DC 或是 DC／DC 或是變換器都是朝模塊化方向發(fā)展。其特點(diǎn)是：可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計(jì)成 N＋1 冗余電源系統(tǒng)，從而提高可行性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱更換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)能高速更換模塊插件；多臺(tái)模并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)充容量。低噪聲。開(kāi)關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如很難準(zhǔn)確地控制開(kāi)關(guān)頻率、諧振時(shí)增大了器件負(fù)荷、場(chǎng)效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管等問(wèn)題難以解決。日本把變壓器設(shè)計(jì)成初次級(jí)分離阻燃密封，自身具備對(duì)體噪聲功能的共模無(wú)噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲?？闺姶鸥蓴_（EMI）。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源在高頻下開(kāi)關(guān)時(shí)，其噪聲通過(guò)電源線產(chǎn)生對(duì)其它電子設(shè)備的干擾，世界各國(guó)已有抗 EMI的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的 FCC、德國(guó)的 VDE等，研究開(kāi)發(fā)抗 EMI的開(kāi)關(guān)電源日益顯行生要。計(jì)算機(jī)輔助計(jì)（CAD）。利用計(jì)算機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)、穩(wěn)定性分析、電路仿真、印刷電路板、熱傳導(dǎo)分析、EMI 分析以及可靠性等進(jìn)行 CAD設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品更新加快。目前的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國(guó)電網(wǎng)電壓規(guī)模）、輸出電壓范圍擴(kuò)大（如計(jì)算機(jī)和工作站需要增加 3.3V這一檔電壓、程控需要增加DC150V這一電壓）、輸人端功率因數(shù)進(jìn)一步提高（最有效的方法是加一級(jí)“有源功率因數(shù)校正器 APFC”），并具有安全、過(guò)壓保護(hù)等功能 [4] 。三 可能的研究方法開(kāi)關(guān)電源主要采用單端正激式、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?、單端反激式、雙單端正激式、推挽式的開(kāi)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(kāi)關(guān)管不易選型。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開(kāi)關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng)抗不平衡能力，所以就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。雙管正激式和半橋電路開(kāi)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(kāi)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)?[5] 。在中小功率的電源中，電流型 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(huì)因過(guò)流而使開(kāi)關(guān)管損壞，大大減小過(guò)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(kāi)關(guān)電源的輸出紋波在 25mV 左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。硬開(kāi)關(guān)技術(shù)因開(kāi)關(guān)損耗的限制，開(kāi)關(guān)頻率一般在 350kHz 以下，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零，從而可將開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)水平，這種應(yīng)用軟開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲(chǔ)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 [6] 。四 研究成果1．軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于減少開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，為進(jìn)一步提高變換頻率提供依據(jù)，還能大大減少電磁干擾。該技術(shù)常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法包括：緩沖電路、諧振環(huán)路和諧振開(kāi)關(guān)等，其基本思路是利用電感或電容等儲(chǔ)能元件，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)將電壓／電流轉(zhuǎn)移或諧振到零，從而實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已有成熟產(chǎn)品在應(yīng)用，如零電壓零電流（ZVZCS）全橋移相變換器已應(yīng)用于通信模塊電源，效率高達(dá) 93％；邊緣諧振全橋變換電路也已應(yīng)用于通信電源模塊 [3] 。2．PFC 電路傳統(tǒng)的電力電子設(shè)備（包括電源），會(huì)對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生危害，并對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。一方面，它們會(huì)產(chǎn)生二次效應(yīng)，當(dāng)電流渡過(guò)線路阻抗時(shí)，造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變；另一方面，它們還會(huì)造成電路故障，損壞變電設(shè)備，如變壓器過(guò)熱、LC 振蕩、高次諧波電流渡過(guò)電容，誘使其過(guò)熱爆炸。為此，降低電力電子設(shè)備諧波損耗（THD），提高功率因數(shù)（PF），已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，生產(chǎn)廠家也不斷推出相關(guān)產(chǎn)品。降低電力電子設(shè)備諧波損耗、提高功率因數(shù)的方法主要包括無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。單相 APFC技術(shù)已相當(dāng)成熟。三相有源 PC技術(shù)復(fù)雜，成本較高，現(xiàn)基本還處于研究推廣階段。三相 PFC與單相 PFC的基點(diǎn)相同，通過(guò)電流跟蹤電壓變化，提高功率因數(shù)，減小諧波損耗。 在通信電源中，當(dāng)輸出功率在 3kW以下時(shí)，一般采用單相輸入；當(dāng)功率在 3kW以上時(shí)，一般采用三相輸入。目前的研究重點(diǎn)集中在三相 PFC技術(shù)，涉及到電路拓?fù)?、控制技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、單級(jí)變換技術(shù)、建模與仿真等技術(shù) [3] 。參考文獻(xiàn)[1] 何希才.新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2001[2] 本刊編輯.半導(dǎo)體世界.2004 年 9月[3] 劉南平，吉紅. 通信電源.西安. 西安電子科技大學(xué)出版社.2005[4] 陳延明，丘水生.通信電源的現(xiàn)狀與展望.當(dāng)代通信.1999[5] 王志強(qiáng)譯.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì).北京.電子工業(yè)出版社.2005[6] 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