一種新穎的開(kāi)關(guān)電源設計方法
70年代中期以來(lái),無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源技術(shù)風(fēng)靡歐、美、日等世界各國。特別是90年代以來(lái),通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。最初的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率在20kHz左右,略高于最高音頻,不會(huì )給人們帶來(lái)討厭的噪聲。[1]隨著(zhù)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,高頻化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代通信供電系統的主流。在通信電源領(lǐng)域中,通常將整流器稱(chēng)為一次電源,而將直流/直流(DC/DC)變換器稱(chēng)為二次電源。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/179814.htm在傳統的電源設計中,從用戶(hù)需求的提出到實(shí)際電路的設計定型要經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(cháng)的過(guò)程。為了解決傳統的電源設計周期長(cháng)的缺點(diǎn),美國(MICROSIM)公司和國家半導體公司(NS)合作開(kāi)發(fā)了一套新穎的網(wǎng)上電源設計系統(Websim),并在其網(wǎng)站http://Power.national.com上發(fā)布,為我們提供了一個(gè)比較理想的二次電源設計方法。
2傳統的電源設計方法與基于Internet電源設計方法的比較
2.1通信用高頻開(kāi)關(guān)電源
通信電源是將市電提供的單相或三相交流電壓變換成標稱(chēng)值為24V至48V的直流電源。目前在程控交換機中,傳統的相控式穩壓電源已被高頻開(kāi)關(guān)電源取代。高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通常使用大功率高頻開(kāi)關(guān)器件MOSFET或IGBT,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50~100kHz范圍內,初步實(shí)現高效率和小型化。[3]近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量已從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
通信設備中所用集成電路的種類(lèi)繁多,其要求的供電電壓也各不相同。在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線(xiàn)電壓(一般為24V至48V直流)變換成所需的各種直流電壓。這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增容非常方便,一般都可直接裝在標準控制板上。對二次電源的要求是高功率密度,因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。[2]
開(kāi)關(guān)電源中通過(guò)DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓。目前,通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開(kāi)關(guān)頻率一般在500kHz以下,功率密度為5W~20W/in3。且用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。在開(kāi)關(guān)電源中直流斬波器不僅起調壓的作用,同時(shí)還起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊進(jìn)一步小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有了較大幅度的提高。[4]
2.2網(wǎng)上電源設計與傳統的電源設計方法的比較
(1)傳統的電源設計
表1確認框傳統的電源設計都是先根據所需的電路參數設計電路結構和選取電路元器件參數;然后在計算機上用Pspice或Electronicworkbench等CAD軟件進(jìn)行仿真,得到輸入輸出波形,再進(jìn)行分析。這種方法比較直觀(guān),但是也有其固有的缺點(diǎn),如:
①設計周期比較長(cháng),稍為復雜一些、功率容量大一些的開(kāi)關(guān)電源,從元器件選擇、參數確定,計算機仿真、調試到完成設計投入生產(chǎn),一般要經(jīng)過(guò)數個(gè)星期甚至數月的時(shí)間;
②CAD軟件的元件庫更新速度不夠,當前電子技術(shù)迅猛發(fā)展,而一般的仿真軟件都有一定的滯后;
③CAD軟件使用不夠方便,一般的電路設計軟件的使用都比較復雜,對使用者的要求比較高,仿真過(guò)程中稍不注意就會(huì )出現不收斂等問(wèn)題;
④如果電源設計者的計算機配置不夠高,進(jìn)行一個(gè)仿真就需要比較長(cháng)的時(shí)間。
(2)基于Internet的電源設計方法及其特點(diǎn)
MICROSIM與NS合作,開(kāi)發(fā)了網(wǎng)上電源設計系統(Websim),它是國際上半導體工業(yè)的第一個(gè)用于電源管理設計的綜合網(wǎng)上資源,該設計系統的功能包括元器件選擇、電路設計、演示板定購和在線(xiàn)樣本仿真,其優(yōu)點(diǎn)是:
①設計周期短由于Websim是在輸入電壓要求之后直接給出電路,省去了用戶(hù)自己設計電路拓撲和計算電路參數的環(huán)節,并且只需在所給的典型應用電路上稍作改動(dòng)即可得到所需的電路,因此使得電源設計可以在很短時(shí)間內完成;
②節約投資用戶(hù)可以使用網(wǎng)站上提供的超級計算機和仿真軟件完成電源的設計工作,消除了對昂貴軟件和工作站的依賴(lài)。既保證了計算的精度,也節約了設計的成本;
③簡(jiǎn)便直觀(guān)Websim的使用對用戶(hù)沒(méi)有很高的要求,使用者只需對開(kāi)關(guān)電源電路有一定的認識、各主要節點(diǎn)的波形有一定的概念,就可以設計符合要求的電路,不需對復雜的仿真軟件有很深的認識。
3Webench工具軟件及其應用示范
Webench是一套電源設計工程師使用的工具,具有Websim功能,它提供了相互作用的工具,能夠選擇、仿真和定購樣品,實(shí)現省時(shí)的供電設計。Websim是一個(gè)瀏覽器式的仿真工具。它能夠實(shí)現如下功能:
(1)供電線(xiàn)路性能的實(shí)時(shí)反饋;
(2)可以得到穩態(tài)(SteadyState)、起動(dòng)(Start
Up)、線(xiàn)路瞬時(shí)響應(LineTransientResponse)、負載瞬時(shí)響應(LoadTransientResponse)、環(huán)路增益檢測(LoopGainMeasurement)和趨勢預測;
(3)測量數據處理和波形顯示。
以一個(gè)輸入為最小20V,最大22V;輸出為+5V(1A)、+10V(0.5A)、-15V(0.2A)的三輸出DC/DC變換器為例,給出典型的設計步驟。
3.1從Power.national.com獲取信息
首先在瀏覽器的地址欄中鍵入:Http://power.national.com選擇Webench。假如用戶(hù)是第一次登陸,系統會(huì )要求輸入一個(gè)電子郵箱地址作為帳號,并發(fā)出一封確認信,通過(guò)了身份確認后,就可以使用該網(wǎng)站了。網(wǎng)站會(huì )給每個(gè)正式用戶(hù)分配一個(gè)“MyWebench”的磁盤(pán)空間,用于存儲個(gè)人仿真、設計材料單和在線(xiàn)元器件分布和演示板。以后用戶(hù)可以通過(guò)個(gè)人化“MyAccount”,獲取個(gè)人帳號的所有信息,如ChangePassword等功能。
3.2用solutionselector選擇元器件
(1)正確登陸Webench后,會(huì )有一個(gè)對話(huà)框,要求用戶(hù)在各欄上設定開(kāi)關(guān)電源的各項設計要求值,包括設定電源的輸入電壓最大值和最小值、環(huán)境溫度變化范圍、開(kāi)關(guān)電源的各組輸出電壓和電流值等。本例要求是設計一個(gè)單輸入,三輸出的Flybach型開(kāi)關(guān)電源。
(2)設計要求提交后,會(huì )自動(dòng)列出NS所生產(chǎn)的、能夠構成符合輸出要求的各種PWM集成芯片和設計要求的確認框,如表1所示。
圖1LM2585內部框圖(此圖由MICROSIM網(wǎng)站下載)
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