大电流直流电源_直流电源_万瑞达电气

直流电源模块的3大发展趋势

(2)低压大电流

     随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V，业界预测，电源输出电压还将降到1.0V以下。与此同时，集成电路所需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。对于1V/100A的模块电源，有效负载相当于0.01Ω，传统技术难以胜任如此高难度的设计要求。在10mΩ负载的情况下，通往负载路径上的每mΩ电阻都会使效率下降10%，印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、MOSFET的导通电阻及MOSFET的管芯接线等对效率都有影响。

     新技术的发展能把对电路整体布局至关重要的功率半导体和无源元件集成在一起，构成功能完善的基本模块，降低了通往负载路径上的电阻，从而降低了功耗并缩小了尺寸。利用基本模块组合起来的多相设计技术逐步得到推广。由于每相输出电流减小，可以采用较小的功率MOSFET和较小的电感器和电容器，这样也简化了设计。

     市场上已出现的基本功率模块封装只有11mm×11mm大小，开关频率1MHz，级联多个模块和相关元件，可获得大于100A的工作电流，与其它采用分立式元件的电路相比，其效率提高了6%，功率损耗降低25%，大电流直流电源，器件尺寸缩小50%左右。

(3)利用软件设计电源

      如今通信系统中，直流电压的品种不断增加，功率密度和集成度的提高亦增加了设计难度，传统的手工设计与验证已无法适应快速变化的市场需求，于是，电源辅助设计软件应运而生了。这些软件可指导元器件选择，并提供材料清单、电路仿真及热分析，缩短了电源设计的周期，提高了电源的性能。辅助设计软件可使用多种参数定制电源，包括输入及输出电压范围、较大输出电流等，引导设计人员进行器件选择，它包含完整的变压器设计，直流电源，使用多种拓扑方法来综合电路，按成本或效率进行优化，并输出元件清单。

直流开关稳压电源的六大保护技术

一、极性保护直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错，将损坏开关稳压电源。极性保护的目的，就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流，因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合，则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节，可以省去极性保护所需的大功率二极管，功耗也将减小。为了操作方便，便于识别极性正确与否，在图1中的二极管之后，接指示灯。

二、程序保护

开关稳压电源的电路比较复杂，基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全，必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此，要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间，滤波电容器会流过很大的浪涌电流，这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化，并使输入保险丝熔断。另外，浪涌电流也会损害电容器，使之寿命缩短，过早损坏。为此，开机时应该接入一个限流电阻，通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作，而在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接它，华东 开关直流电源，使直流电源直接对开关稳压器供电，如图2所示。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。

三、过电流保护当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起流过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大，发热，若没有过流保护装置，大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。经济简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小，普通保险丝一般不能起到保护作用，常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点，但是，需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。

四、过电压保护开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高，使开关稳压器不能正常工作，甚至损坏内部器件，因此，有必要使用输入过电压保护电路。用晶体管和继电器所组成的保护电路如图3所示。

五、欠电压保护输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设欠电压保护。

六、过热保护开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则，会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。

采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电器置于开关三极管的附近，一般大功率管允许的高管壳温度是75℃，调节温度整定值为60℃。当管壳温度**过允许值后继电器就切断电器，对开关管进行保护。

开关电源的发展

1）电力电子设备的小型化、轻量化和高功率密度化 电力电子设备的发展方向之一是小型化，降低其体积、重量，提高功率密度。例如，随着微处理器大规模集成电路（VLSI）尺寸的不断减小，而供电电源的尺寸与微处理器相比却要大得多。因此，必须采取新的技术来降低开关电源的体积重量。20世纪人们在提高开关电源功率密度方面做了不少工作。开关电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备（如移动电话、数码相机）尤为重要。为了实现开关电源高功率密度，必须提高PWM DC/DC转换器的工作频率，从而减小电路中储能元件的体积和重量。

 2）高频电力电子技术 1980年以前，开关电源中PWM DC/DC转换器的开关频率为20～50 kHz，从1980年起，提高开关频率成为减少开关电源尺寸的较有效手段，同时 也改善了开关电源的动态性能。现在⒛0～500 kHz已成为输出100 W以下开关电源的标准开关频率。特殊制造的小功率开关电源，其开关频率已 经达到了几兆赫。 给出了20世纪70年代以后的30年，通信和计算机用开关电源DC/DC转换器高功率密度的发展进程。可见，高频化、高功率密度和高效率是 开关电源技术发展进步的重要标志。

3）高效率和软开关技术 PWM开关电源按硬开关模式工作时，在开关过程中，功率开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。高频化可以缩小感性元件和容性元件的体积重量，但开关频率越高，开关损耗越大。为此，必须采取措施来提高高开关频率DC/DC转换器的效率。人们研究了在开关过程中开关器件的电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，总称为软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。除了减小开关损耗以外，应用软开关技术还可以大大降低开关的噪声，以及减小了开关电源对外界的电磁干扰。 20世纪90年代中期，30A/48V PWM DC/DC转换器采用移相全桥ZVS-PWM技术后，重7kg，比用PWM技术的同类产品重量下降40％。软开关技术的开发和应用，提高了开关电源的效率。据说，较近国外小功率DC/DC转换器开关电源模块（48/12V）总效率可以达到96％；48/5V DC/DC转换器开 关电源模块的效率可以达到92％～93％。⒛世纪末，国内生产的通信用50～100 A输出，全桥移相式ZVZCS-PWM开关电源模块的效率**过93％。 1994年2月，上海可调直流电源，IEEE电力电子学会组织“功率转换技术2000年展望专题研讨会”，就DC/DC及AC/DC功率转换器的发展趋势与需求进行讨论。指出 “高功率密度DC/DC零电压开关转换器”与开关器件的性能、无源元件的性能、封装技术等有很大关系。并预测，与1994年相比，到2000年，在保证可靠性增强一倍的基础上，DC/DC转换器的成本将降低一半，功率密度可以提高一倍。事实证明，有的DC/DC转换器产品已经达到了这个目标。