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直流電源厂家分析隔离式高壓直流穩壓電源的拓扑形式
編輯:凯发K8国际真人版_手机中文版   發布時間:2017-08-02

直流電源厂家把高壓直流穩壓電源分为,隔离与非隔离两种形式,在这里主要谈一谈隔离式高壓直流穩壓電源的拓撲形式,在下文中,非特別說明,均指隔離電源。隔離電源按照結構形式不同,可分爲兩大類:正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止,變壓器儲能。原邊截止時,副邊導通,能量釋放到負載的工作狀態,一般常規反激式電源單管多,雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應出對應電壓輸出到負載,能量通過變壓器直接傳遞。按規格又可分爲常規正激,包括單管正激,雙管正激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。



直流電源厂家,正激和反激電路各有其特點,在設計電路的過程中爲達到最優性價比,可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路,中等功率可采用雙管正激電路或半橋電路,低電壓時采用推挽電路,與半橋工作狀態相同。大功率輸出,一般采用橋式電路,低壓也可采用推挽電路。

反激式電源因其結構簡單,省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感,而在中小功率電源中得到廣泛的應用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦,輸出功率超過100瓦就沒有優勢,實現起來有難度。本人認爲一般情況下是這樣的,但也不能一概而論,PI公司的TOP芯片就可做到300瓦,有文章介紹反激電源可做到上千瓦,但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關。

反激電源變壓器漏感是一個非常關鍵的參數,由于反激電源需要變壓器儲存能量,要使變壓器鐵芯得到充分利用,一般都要在磁路中開氣隙,其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率,使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊,而不至于鐵芯進入飽和非線形狀態,磁路中氣隙處于高磁阻狀態,在磁路中産生漏磁遠大于完全閉合磁路。

脉冲电压连线尽可能短,其中输入开关管到变压器连线,输出变压器到整流管连接线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近高壓直流穩壓電源输入端,输入线应避免与其他电路平行,应避开。Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持一定距离,以避免磁偶合。

输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子,可影响電源输出纹波指标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器件要和电解电容保持一定距离,以延长整机寿命,电解电容是高壓直流穩壓電源寿命的瓶劲,如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离,电解之间也须留出散热空间,条件允许可将其放置在进风口。

PCB布線的一些原則印制板設計時,要考慮到幹擾對系統的影響,直流電源厂家將電路的模擬部分和數字部分的電路嚴格分開,對核心電路重點防護,將系統地線環繞,並布線盡可能粗,電源增加濾波電路,采用DC-DC隔離,信號采用光電隔離,設計隔離電源,分析容易産生幹擾的部分(如時鍾電路、通訊電路等)和容易被幹擾的部分(如模擬采樣電路等),對這兩種類型的電路分別采取措施。對于幹擾元件采取抑制措施,對敏感元件采取隔離和保護措施,並且將它們在空間和電氣上拉開距離。在板級設計時,還要注意元器件放置要遠離印制板邊沿,這對防護空氣放電是有利的。樣電路的原理圖設計參見圖1.







图1高壓直流穩壓電源样电路的原理图设计随着印制线路板制造工艺的不断完善和提高,一般加工厂制造出线间距等于甚至小于0.1mm已经不存在什么问题,完全能够满足大多数应用场合。考虑到高壓直流穩壓電源所采用的元器件及生产工艺,一般双面板最小线间距设为0.3mm,单面板最小线间距设为0.5mm,焊盘与焊盘、焊盘与过孔或过孔与过孔,最小间距设为0.5mm,可避免在焊接操作过程中出现“桥接”现象。,这样大多数制板厂都能够很轻松满足生产要求,并可以把成品率控制得非常高,亦可实现合理的布线密度及有一个较经济的成本。

最小線間距只適合信號控制電路和電壓低于63V的低壓電路,當線間電壓大于該值時一般可按照500V/1mm經驗值取線間距。

方法一:上文提到的線路板開槽的方法適用于一些間距不夠的場合,順便提一下,該法也常用來作爲保護放電間隙,常見于電視機顯象管尾板和電源交流輸入處。該法在模塊電源中得到了廣泛的應用,在灌封的條件下可獲得很好的效果。

方法二:墊絕緣紙,可采用青殼紙、聚脂膜、聚四氟乙烯定向膜等絕緣材料。一般通用電源用青殼紙或聚脂膜墊在線路板于金屬機殼間,這種材料有機械強度高,有一定抗潮濕的能力。聚四氟乙烯定向膜由于具有耐高溫的特性在模塊電源中得到廣泛的應用。在元件和周圍導體間也可墊絕緣薄膜來提高絕緣抗電性能。

鋁基板由其本身構造,具有以下特點:導熱性能非常優良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。

鋁基板上一般都放置貼片器件,開關管,輸出整流管通過基板把熱量傳導出去,熱阻很低,可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結構,也可通過基板散熱,其溫升比常規要低,同樣規格變壓器采用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成,另外一塊板放置控制電路,兩塊板之間通過物理連接合成一體。

由于鋁基板優良的導熱性,在小量手工焊接時比較困難,焊料冷卻過快,容易出現問題現有一個簡單實用的方法,將一個燙衣服的普通電熨鬥(最好有調溫功能),翻過來,熨燙面向上,固定好,溫度調到150℃左右,把鋁基板放在熨鬥上面,加溫一段時間,然後按照常規方法將元件貼上並焊接,熨鬥溫度以器件易于焊接爲宜,太高有可能時器件損壞,甚至鋁基板銅皮剝離,溫度太低焊接效果不好,要靈活掌握。

印制板铜皮走线的一些事项走线电流密度:现在多数电子线路采用绝缘板缚铜构成。常用线路板铜皮厚度为35μm,走线可按照1A/mm经验值取电流密度值,具体计算可参见教科书。为保证走线机械强度原则线宽应大于或等于0.3mm.铜皮厚度为70μm线路板也常见于高壓直流穩壓電源,那么电流密度可更高些。

模塊電源行列也有部分産品采用多層板,主要便于集成變壓器電感等功率器件,優化接線、功率管散熱等。具有工藝美觀一致性好,變壓器散熱好的優點,但其缺點是成本較高,靈活性較差,僅適合于工業化大規模生産。

单面板,市场流通通用高壓直流穩壓電源几乎都采用了单面线路板,其具有低成本的优势,在设计,及生产工艺上采取一些措施亦可确保其性能。

爲保證良好的焊接機械結構性能,單面板焊盤應稍微大一些,以確保銅皮和基板的良好縛著力,而不至于受到震動時銅皮剝離、斷脫。一般焊環寬度應大于0.3mm.焊盤孔直徑應略大于器件引腳直徑,但不宜過大,保證管腳與焊盤間由焊錫連接距離最短,盤孔大小以不妨礙正常查件爲度,焊盤孔直徑一般大于管腳直徑0.1-0.2mm.多引腳器件爲保證順利查件,也可更大一些。

單面板上元器件應緊貼線路板。需要架空散熱的器件,要在器件與線路板之間的管腳上加套管,可起到支撐器件和增加絕緣的雙重作用,要最大限度減少或避免外力沖擊對焊盤與管腳連接處造成的影響,增強焊接的牢固性。線路板上重量較大的部件可增加支撐連接點,可加強與線路板間連接強度,如變壓器,功率器件散熱器。

雙面板焊盤由于孔已作金屬化處理強度較高,焊環可比單面板小一些,焊盤孔孔徑可比管腳直徑略微大一些,因爲在焊接過程中有利于焊錫溶液通過焊孔滲透到頂層焊盤,以增加焊接可靠性。
大電流走線的處理線寬可按照前帖處理,如寬度不夠,一般可采用在走線上鍍錫增加厚度進行解決,其方法有好多種。

a、將走線設置成焊盤屬性,這樣在線路板制造時該走線不會被阻焊劑覆蓋,熱風整平時會被鍍上錫。

b、在布線處放置焊盤,將該焊盤設置成需要走線的形狀,要注意把焊盤孔設置爲零。
c、在阻焊層放置線,此方法最靈活,但不是所有線路板生産商都會明白你的意圖,需文字說明。在阻焊層放置線的部位會不塗阻焊劑線路鍍錫的幾種方法如上。一般可采用細長條鍍錫寬度在1~1.5mm,長度可根據線路來確定,鍍錫部分間隔0.5~1mm雙面線路板爲布局、走線提供了很大的選擇性,可使布線更趨于合理。關于接地,功率地與信號地一定要分開,兩個地可在濾波電容處彙合,以避免大脈沖電流通過信號地連線而導致出現不穩定的意外因素,信號控制回路盡量采用一點接地法。

電壓反饋取樣,爲避免大電流通過走線的影響,反饋電壓的取樣點一定要放在電源輸出最末梢,以提高整機負載效應指標。

走線從一個布線層變到另外一個布線層一般用過孔連通,不宜通過器件管腳焊盤實現,因爲在插裝器件時有可能破壞這種連接關系,還有在每1A電流通過時,至少應有2個過孔,過孔孔徑原則要大于0.5mm,一般0.8mm可確保加工可靠性。

铝基板及多层印制板在高壓直流穩壓電源中的应用铝基板(金属基散热板(包含铝基板,铜基板,铁基板))是一种独特的金属基覆铜板,它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。铝基覆铜板是一种金属线路板材料、由铜箔、导热绝缘层及金属基板组成,它的结构分三层:Cireuitl.Layer线路层:相当于普通PCB的覆铜板,线路铜箔厚度loz至10oz. DielcctricLayer绝缘层:绝缘层是一层低热阻导热绝缘材料。厚度为:0.003“至0.006”英寸是铝基覆铜板的核心技术所在,已获得UL认证。

BaseLayer基層是金屬基板,一般是鋁或可所選擇銅。

鋁基覆銅板和傳統的環氧玻璃布層壓板等,目前市場上主流的是福斯萊特鋁基板。電路層(即銅箔)通常經過蝕刻形成印刷電路,使組件的各個部件相互連接,一般情況下,電路層要求具有很大的載流能力,從而應使用較厚的銅箔,厚度一般35μm~280μm;導熱絕緣層是鋁基板核心技術之所在,它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構成,熱阻小,粘彈性能優良,具有抗熱老化的能力,能夠承受機械及熱應力。該公司生産的高性能鋁基板的導熱絕緣層正是使用了此種技術,使其具有極爲優良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能;金屬基層是鋁基板的支撐構件,要求具有高導熱性,一般是鋁板,也可使用銅板(其中銅板能夠提供更好的導熱性),適合于鑽孔、沖剪及切割等常規機械加工。

鋁基板由其本身構造,具有以下特點:導熱性能非常優良、單面縛銅、器件只能放置在縛銅面、不能開電器連線孔所以不能按照單面板那樣放置跳線。

鋁基板上一般都放置貼片器件,開關管,輸出整流管通過基板把熱量傳導出去,熱阻很低,可取得較高可靠性。變壓器采用平面貼片結構,也可通過基板散熱,其溫升比常規要低,同樣規格變壓器采用鋁基板結構可得到較大的輸出功率。鋁基板跳線可以采用搭橋的方式處理。鋁基板電源一般由由兩塊印制板組成,另外一塊板放置控制電路,兩塊板之間通過物理連接合成一體。

由于鋁基板優良的導熱性,在小量手工焊接時比較困難,焊料冷卻過快,容易出現問題現有一個簡單實用的方法,將一個燙衣服的普通電熨鬥(最好有調溫功能),翻過來,熨燙面向上,固定好,溫度調到150℃左右,把鋁基板放在熨鬥上面,加溫一段時間,然後按照常規方法將元件貼上並焊接,熨鬥溫度以器件易于焊接爲宜,太高有可能時器件損壞,甚至鋁基板銅皮剝離,溫度太低焊接效果不好,要靈活掌握。

最近几年,随着多层线路板在高壓直流穩壓電源电路中应用,使得印制线路变压器成为可能,由于多层板,层间距较小,也可以充分利用变压器窗口截面,可在主线路板上再加一到两片由多层板组成的印制线圈达到利用窗口,降低线路电流密度的目的,由于采用印制线圈,减少了人工干预,变压器一致性好,平面结构,漏感低,偶合好。开启式磁芯,良好的散热条件。由于其具有诸多的优势,有利于大批量生产,所以得到广泛的应用。但研制开发初期投入较大,不适合小规模生产。

反激電源反射电压还有一个确定因素军用高壓直流穩壓電源的反射电压还与一个参数有关,那就是输出电压,输出电压越低则变压器匝数比越大,变压器漏感越大,开关管承受电压越高,有可能击穿开关管、吸收电路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效。在设计低压输出小功率反激電源的优化过程中必须小心处理,其处理方法有几个:

a 采用大一个功率等级的磁芯降低漏感,这样可提高低压反激電源的转换效率,降低损耗,减小输出纹波,提高多路输出電源的交差调整率,一般常见于家电用高壓直流穩壓電源,如光碟机、DVB机顶盒等。

b 如果条件不允许加大磁芯,只能降低反射电压,减小占空比。降低反射电压可减小漏感但有可能使電源转换效率降低,这两者是一个矛盾,必须要有一个替代过程才能找到一个合适的点,在变压器替代实验过程中,可以检测变压器原边的反峰电压,尽量降低反峰电压脉冲的宽度,和幅度,可增加变换器的工作安全裕度。一般反射电压在110V时比较合适。

c 增强耦合,降低损耗,采用新的技术,和绕线工艺,变压器为满足安全规范会在原边和副边间采取绝缘措施,如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感性能,现实生产中可采用初级绕组包绕次级的绕法。或者次级用三重绝缘线绕制,取消初次级间的绝缘物,可以增强耦合,甚至可采用宽铜皮绕制。

反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態,所以磁路需要開氣隙,類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。爲什麽開氣隙的原理本人理解爲:由于功率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應強度(B),現在的生産工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值在設計中取值應該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X軸向傾斜,在同樣的磁感應強度下,可承受更大的磁化電流,則相當于磁心儲存更多的能量,此能量在開關管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯開氣隙有兩個作用。

反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態,不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導致電源損壞。

所謂反激電源的連續與斷續模式是指變壓器的工作狀態,在滿載狀態變壓器工作于能量完全傳遞,或不完全傳遞的工作模式。一般要根據工作環境進行設計,常規反激電源應該工作在連續模式,這樣開關管、線路的損耗都比較小,而且可以減輕輸入輸出電容的工作應力,但是這也有一些例外。由于制造工藝特點,高反壓二極管,反向恢複時間長,速度低,在電流連續狀態,二極管是在有正向偏壓時恢複,反向恢複時的能量損耗非常大,不利于變換器性能的提高,輕則降低轉換效率,整流管嚴重發熱,重則甚至燒毀整流管。由于在斷續模式下,二極管是在零偏壓情況下反向偏置,損耗可以降到一個比較低的水平。

反激直流高壓電源變壓器應工作在連續模式,那就要求比較大的繞組電感量,當然連續也是有一定程度的,過分追求絕對連續是不現實的,有可能需要很大的磁芯,非常多的線圈匝數,同時伴隨著大的漏感和分布電容,可能得不償失。那麽如何確定這個參數呢,通過多次實踐,及分析同行的設計,直流電源厂家認爲,在標稱電壓輸入時,輸出達到50%~60%變壓器從斷續,過渡到連續狀態比較合適。


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