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關于UPS電源的一些使用小技巧
使用UPS電源可以解決兩個方面的問題,就是意外斷電和市電品質差時,UPS電源可以提供及時的供電,保證正常的工作運行和正常的工作效率。
使用UPS電源可以解決兩個方面的問題,就是意外斷電和市電品質差時,UPS電源可以提供及時的供電,保證正常的工作運行和正常的工作效率。也可以說是UPS的兩大主要功能:
第一:應急使用:防止意外斷電而影響正常工作.
第二:日常使用:消除市電上的電涌,瞬間高電壓,瞬間低電壓,電線噪聲和頻率偏移等電源污染,改善電源質量,提供高質量的電源.
對于這些兩大功能,就是一些關于UPS的使用經驗希望大家可以借鑒:
第一:帶載過輕有可能造成電池的深度放電,分降低電池的使用壽命.
第二:適當?shù)姆烹娪兄陔姵氐募せ?如長期不停市電,每3月也應人為斷掉市電用UPS帶負載放電一次,可以延長電池使用壽命.
第三:多數(shù)小型UPS,上班再開啟,且開機時避免帶載啟動,下班應關閉UPS;對于網絡機房的UPS,則可全天候運行.
第四:勿帶感性負載,如點鈔機,日光燈,空調等,以免造成損害.輸出負載控制在60%左右優(yōu)秀,可靠性高.
一、我國電源產業(yè)簡述
1、電源產業(yè)簡述
根據(jù)國家設立的有關機構、標準組織和權威電源社團組織、權威電源專家對"電源"(Power Supply)的定義:電源是以電力電子學為核心技術的產品。"電源"是終端產品,"電力電子"是應用技術,"電源"產品是"電力電子"應用技術的具體產品體現(xiàn)。電力電子電源通常指采用電力電子技術的電源產品,是電力電子設備中重要組成成員 ( 為了簡便,下文中電力電子電源以"電源"冠稱。)。
以電力電子學為核心技術的電源產業(yè),隨著IT產業(yè)、CI產業(yè)、PC機廣泛應用而得到突飛猛進的發(fā)展。電源產業(yè)是各類高科技產業(yè)發(fā)展的基礎工業(yè),所有的高精尖科技設備都需要電力電子電源系統(tǒng)技術的配套和支持。隨著電力電子技術的發(fā)展與綜合利用,使電源產業(yè)在航空、航天、宇航、艦船、自控自導、尖端武器、原子能、現(xiàn)代化以及醫(yī)學、通訊、交通、運輸、電力、電子、環(huán)保等領域得到空前的發(fā)展和應用,幾乎國民經濟各行各業(yè)都與電力電子電源產業(yè)密不可分。
近幾年,境外主要電源供應商逐漸看好中國電力電子電源市場的巨大潛力,紛紛把重點轉向中國大陸。在UPS電源產品方面有山特、APC、愛克賽、梅蘭日蘭、三菱等;在通信開關電源方面有愛立信、美國的Vicor、騰訊科技、朗訊、法國的西門子、日本的新電元等。臺灣地區(qū)的電源生產廠商也在中國大陸設廠生產,如臺達公司在東莞、上海、天津都設立了工廠。
目前,跨國公司在國內電源市場占有依然強勁,如:艾默生(Emerson)、APC、梅蘭日蘭、伊頓愛克賽,新近進入國內市場的有:荷蘭海泰克、ActivePower公司、施恩禧電氣(S&C)。
現(xiàn)在中國本土也已形成一批超億元的電源企業(yè),如:中興通訊、廈門科華、武漢洲際、煙臺東方電子信息集團等,他們有較強的技術力量和開發(fā)能力。UPS電源技術也向著多功能、大功率、集成化的方向發(fā)展,其中UPS電源行業(yè)中的廈門科華、冠軍、科士達、易事特、捷益達等一批民營企業(yè)領跑在國內UPS市場的前列。
2、電力電子電源產品分類
電力電子電源按產品名稱分類,主要有:
第1類:開關電源,包含AC/DC開關電源,DC/DC開關電源,充電器等
第2類:不間斷電源(UPS),包含AC UPS和DC UPS等。
第3類:逆變器,包含普通逆變器,LCD背光逆變器,太陽能逆變器等。
第4類:變頻器,包含普通變頻器,高壓變頻器等;
第5類:其它: 如交流穩(wěn)壓電源,中頻感應加熱電源,高壓電源、電力機車電源等
3、電源行業(yè)的重要性
●國家科技部近期設立了2億元的電力電子項目專項資金,國家發(fā)改委專門在近期發(fā)文啟動專項課題,用于推進電力電子技術和產業(yè)的發(fā)展,包括應用裝置的產業(yè)化,重點圍繞節(jié)能、交通、電力、冶金等領域需求,支持應用具有自主知識產權芯片和技術的電力電子裝置,節(jié)能型不間斷電源和新型的電力優(yōu)化裝置顯然就是典型的支持對象。
●所有能源的應用70%以上需要經過電力電子變換裝置,然后再給負載。
●電力電子電源是節(jié)能減排的有力手段,同時也是保證信息安全、工業(yè)自動化的基石,例如,變頻器的應用將使得電機性負載大幅度節(jié)能,不間斷電源UPS的應用將有效保證信息設備的可靠運行、工業(yè)化制造水平的提升,開關整流器是所有網絡、通信系統(tǒng)能源心臟
●信息和工業(yè)自動化水平的發(fā)展,與電力電子電源技術的發(fā)展緊密相關。
二、UPS電源系統(tǒng)及產品分類
UPS電源系統(tǒng)設備技術是指依托先進功率轉換技術、數(shù)字控制技術、高頻開關變換技術、脈寬調制技術、電磁兼容技術、冗余并機技術、智能充放電技術、網絡技術、驅動技術和新工藝技術等的一門綜合技術。
UPS電源已從60年代的旋轉發(fā)電機發(fā)展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路,并且還在繼續(xù)發(fā)展。目前,UPS電源一般均指靜止式UPS電源,按其工作方式分類可分為后備式、在線互動式及在線式三大類,按照UPS電源功率的大小和應用領域有以下的分類方式:
1、按照UPS功率大小分類:
UPS電源系統(tǒng)按其應用的功率可分為:大、中、小三個分區(qū)類別。
小功率UPS電源系統(tǒng)定義為:功率小于3kVA的UPS電源產品;
中等功率UPS電源系統(tǒng)定義為:大于等于3kVA同時小于10kVA的UPS電源產品;
大功率UPS電源系統(tǒng)定義為:大于或等于10kVA的UPS電源產品。
不同功率段UPS產品和技術情況如下:
●功率(P)<3KVA產
小于3KVA的產品主要包括500VA-2KVA的后備式、互動式UPS,以及1-2KVA的在線式UPS。這一功率段的UPS由于技術門檻比較低,市場競爭激烈,國際知名品牌中除了APC、SANTAK作為主要廠家外,其它廠家是很多國內中小UPS廠家。從國內和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,這部分產品的市場銷售額比例一直存在小幅下降的趨勢。
●3 KVA≤功率(P)<10 KVA產品:
這一功率段的UPS主要是在線式產品,以及少量的3KVA后備式、互動式產品,涉及的技術相對復雜些,產品的質量控制有一定的難度,除了國外品牌產品外,國內的中大規(guī)模的UPS廠家有這一功率段的產品。從國內和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,這部分產品的市場銷售額比例相對穩(wěn)定。
●10KVA≤功率(P)<50KVA產品:
這一功率段的UPS是在線式產品,涉及的技術比較復雜,產品的質量控制有相當?shù)碾y度,除了國外品牌產品外,國內中等以上規(guī)模的UPS廠家才有這一功率段的產品。從國內和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,這部分產品的市場銷售額比例相對穩(wěn)定,略有上升。
●功率(P)P≥ 50KVA產品:
這一功率段的UPS是在線式產品,涉及的技術相當復雜,產品的質量控制需要較高的水平和綜合實力,除了國外品牌產品外,國內只有極個別的上規(guī)模 UPS廠家才有這一功率段的產品。從國內和國際市場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,這部分產品的市場銷售額比例穩(wěn)步上升。
2、按照UPS應用領域分類
UPS電源系統(tǒng)按其應用領域可分為:信息設備用UPS電源系統(tǒng)設備和工業(yè)動力用UPS電源系統(tǒng)設備二個大類別。
2.1 信息設備用UPS電源系統(tǒng)設備
近幾年來UPS電源系統(tǒng)在IT行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用,被人們譽為計算機信息的保護神。在世界邁進信息時代之后,信息的安全問題已經被人們廣泛關注,因此,在這種時代背景中,UPS的發(fā)展趨勢引起業(yè)界的高度重視是順理成章的。
信息化通信UPS電源系統(tǒng)主要應用于:信息產業(yè)、IT行業(yè)、交通、金融行業(yè)、航空航天工業(yè)等計算機信息系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網絡中心等的安全保護問題。
UPS電源作為計算機信息系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網絡中心等的重要外設,在保護計算機數(shù)據(jù)、保證電網電壓和頻率的穩(wěn)定,改進電網質量,防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害等是非常重要的。
2.2工業(yè)動力用UPS電源系統(tǒng)設備
工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備主要應用于:工業(yè)動力設備行業(yè)電力、鋼鐵、有色金屬、煤炭、石油化工、建筑、醫(yī)藥、汽車、食品、軍事等領域,作為所有電力自動化工業(yè)系統(tǒng)設備、遠方執(zhí)行系統(tǒng)設備、高壓斷路器的分合閘、繼電保護、自動裝置、信號裝置等的交、直流不間斷電源設備,保證工業(yè)自動化動力供給的可靠性。
工業(yè)動力用不間斷電源是不間斷電源產品中的高端產品,涉及大功率(可能達到兆瓦級)能量變換的電力電子技術、數(shù)字化控制技術、交流電源并聯(lián)冗余技術、有源諧波抑制技術、大功率產品制造技術等,顯然,一般的電源企業(yè)無法進入該領域,只有已經擁有大功率電力電子技術和系列產品開發(fā)、生產、服務能力,并積累相應工業(yè)應用經驗的企業(yè),才能做好工業(yè)動力不間斷電源系統(tǒng)的設計、生產、市場服務。傳統(tǒng)UPS廠家在這些地方采用的UPS電源往往是具備適應工業(yè)自然環(huán)境的UPS電源產品,而不是適應工業(yè)電氣環(huán)境、感性動力負載特性的真正工業(yè)動力設備用不間斷電源。
三、我國UPS電源市場需求綜述
國外在不間斷電源上起步于70年代,國內起步于80年代后期,起步差距十幾年。國內UPS行業(yè)經過20年的發(fā)展,雖然在中國市場上雖然總體的市場份額被國外知名品牌占據(jù)大部分,但是,少數(shù)國內較大規(guī)模的廠家在市場份額、高端技術等方面已經十分接近國際知名品牌,以下是國內市場需求匯總。
1、UPS電源企業(yè)總體規(guī)模與銷售額分布
UPS電源企業(yè)規(guī)模較大的銷售額達超過2億元的企業(yè)5家,1~2億元的企業(yè)5家; 5000~8000萬元左右企業(yè)約有15~20余家;2500~5000萬元左右企業(yè)約有274余家,500~2500萬元左右企業(yè)約有1 380余家,其它有300多家。
2、國內UPS電源市場總容量
根據(jù)相關統(tǒng)計和我們的分析,2006年國內信息設備用UPS電源市場總銷售額26.1億元人民幣,2007年總銷售額預計達到27.4億元人民幣。工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備中大功率UPS年市場需求也達近30億元人民幣。
我國UPS電源年市場需求總容量應該在50~60億元人民幣,市場需求巨大。
在各媒體單位年終評選中,梅蘭日蘭、APC、科華、科士達等UPS電源廠商大出風頭,拿下多項評選冠軍。
3、國內中大功率UPS電源市場容量
中大功率UPS是不間斷電源行業(yè)中的高端產品,根據(jù)賽迪顧問統(tǒng)計,2006年中國中大功率UPS電源市場銷售額為22.1億元人民幣,同比增長7.3%。協(xié)會認為,如果加上工業(yè)動力設備用的大功率UPS電源需求,市場銷售額應有相當比例的上升。
在2006年中國中大功率UPS電源市場的品牌格局中,以銷售額來衡量,廈門科華加大行業(yè)銷售力度,增加新品,市場占有率居于本土品牌第一;科士達充分利用渠道優(yōu)勢的同時,加強新行業(yè)開發(fā),拓展其他行業(yè)市場,市場占有率占據(jù)本土品牌第二。另外,傳統(tǒng)中大功率UPS提供商志成冠軍也取得了不俗的成績。
4、工業(yè)動力設備用不間斷電源市場需求
在電信、金融等行業(yè)采購規(guī)模與以前相比出現(xiàn)了穩(wěn)步增長期間,有專業(yè)機構做出的調查表明,由于這兩個行業(yè)的硬件投資比重會逐漸減少,加上這兩個行業(yè)的 UPS電源保有率較高,因此其UPS電源需求不太可能出現(xiàn)大的增長,預計未來的市場份額將逐漸下降。相反,一些以往占市場比重不大的行業(yè)如制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等對UPS電源的需求呈現(xiàn)出了快速增長的勢頭,特別是制造業(yè)中,中小企業(yè)的大規(guī)模崛起,更是成為了帶動UPS電源市場增長的新動力源泉。
工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備市場銷售額隨著工業(yè)自動化成套設備和設備更新改造的飛速發(fā)展,工業(yè)動力大功率UPS電源系統(tǒng)設備市場在2000年后開始提高,2003年出現(xiàn)加速,平均增長率達到16%,2006年1至9月更是達到18%。隨著重工業(yè)化時期的來臨,中國工業(yè)化、城市化進程加快,全球產業(yè)鏈加速向中國轉移。依據(jù)協(xié)會相關統(tǒng)計數(shù)據(jù),分析其數(shù)據(jù)特征,我們預測工業(yè)動力UPS電源系統(tǒng)設備市場未來五年的銷售額平均增長率將達到17.5%,2007 年市場銷售額在30-35億元間,潛力巨大。
自然環(huán)境的UPS電源產品,而不是適應工業(yè)電氣環(huán)境、感性動力負載特性的真正工業(yè)動力設備用不間斷電源。
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簡述如何降低開關電源紋波
1、濾波電容。濾波電容的ESR和ESL是非常重要的參數(shù),越低越好,僅追求容量是遠遠不夠的,當然在滿足足夠低的ESR和ESL的前提下,容量大些較好。開關電源的濾波電容優(yōu)選X7R或X5R電容與鉭電解的組合,紋波稍放寬可用Y5V電容和瘦高外觀的鋁電解(低ESL型)配合。
2、儲能電感。儲能電感在工作頻率下的Q值越大越好,很多人只注意到電感量,其實Q值的影響要大得多,電感量只要滿足要求允許在很大范圍內波動。
3、PCB設計。開關電源的PCB設計非常重要,在前兩個條件都滿足時如果紋波參數(shù)還是達不到手冊中載明的數(shù)值,問題就可以肯定是出在PCB上,開關電源芯片的取樣及濾波回路的設計非常講究,PCB分布參數(shù)會導致調整誤差或濾波效率變差,嚴重時甚至可能導致自激(一般在特定的負載強度下發(fā)生),故不得不查。原則是取樣回路和濾波回路要盡量貼近開關電源IC,PCB走線不可太長、太細,類似的儲能電感也有同樣原則,只是影響稍小,布局、走線不利相當于降低了電感的Q值。
后要說的是,因開關電源IC的內電路設計不同紋波指標也是不同的,多數(shù)情況下,開關頻率高的容易獲得較低的紋波,但價格及對外圍元件的要求相對更高,所以要根據(jù)需要合理選擇,夠用即可,否則要付出不必要的成本,器件手冊的仔細閱讀及理解是第一步。
PWM開關穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源基本工作原理就是在輸入電壓變化、內部參數(shù)變化、外接負載變化的情況下,控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋,調節(jié)主電路開關器件的導通脈沖寬度,使得開關電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。 PWM的開關頻率一般為恒定,控制取樣信號有:輸出電壓、輸入電壓、輸出電流、輸出電感電壓、開關器件峰值電流。由這些信號可以構成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng),實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的,同時可以實現(xiàn)一些附帶的過流保護、抗偏磁、均流等功能。對于定頻調寬的PWM閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),主要有五種PWM 反饋控制模式。下面以VDMOS開關器件構成的穩(wěn)壓正激型降壓斬波器為例說明五種PWM反饋控制模式的發(fā)展過程、基本工作原理、詳細電路原理示意圖、波形、特點及應用要點,以利于選擇應用及仿真建模研究。
開關電源PWM的五種反饋控制模式
1. 電壓模式控制PWM (VOLTAGE-MODE CONTROL PWM):
如圖1所示為BUCK降壓斬波器的電壓模式控制PWM反饋系統(tǒng)原理圖。電壓模式控制PWM是六十年代后期開關穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展起就采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護電路相結合,至今仍然在工業(yè)界很好地被廣泛應用。電壓模式控制只有一個電壓反饋閉環(huán),采用脈沖寬度調制法,即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號與恒定頻率的三角波上斜波相比較,通過脈沖寬度調制原理,得到當時的脈沖寬度,見圖1A中波形所示。逐個脈沖的限流保護電路必須另外附加。主要缺點是暫態(tài)響應慢。當輸入電壓突然變小或負載阻抗突然變小時,因為有較大的輸出電容C 及電感L相移延時作用,輸出電壓的變小也延時滯后,輸出電壓變小的信息還要經過電壓誤差放大器的補償電路延時滯后,才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個延時滯后作用是暫態(tài)響應慢的主要原因。圖1A電壓誤差運算放大器(E/A)的作用有三:①將輸出電壓與給定電壓的差值進行放大及反饋,保證穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)壓精度。該運放的直流放大增益理論上為無窮大,實際上為運放的開環(huán)放大增益。②將開關電源主電路輸出端的附帶有較寬頻帶開關噪聲成分的直流電壓信號轉變?yōu)榫哂幸欢ǚ档谋容^“干凈”的直流反饋控制信號(VE)。即保留直流低頻成分,衰減交流高頻成分。因為開關噪聲的頻率較高,幅值較大,高頻開關噪聲衰減不夠的話,穩(wěn)態(tài)反饋不穩(wěn);高頻開關噪聲衰減過大的話,動態(tài)響應較慢。雖然互相矛盾,但是對電壓誤差運算放大器的基本設計原則仍是“低頻增益要高,高頻增益要低”。③對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行校正,使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。電壓模式控制的優(yōu)點:①PWM三角波幅值較大,脈沖寬度調節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量。②占空比調節(jié)不受限制。③對于多路輸出電源,它們之間的交互調節(jié)效應較好。④單一反饋電壓閉環(huán)設計、調試比較容易。⑤對輸出負載的變化有較好的響應調節(jié)。缺點:①對輸入電壓的變化動態(tài)響應較慢。②補償網絡設計本來就較為復雜,閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化使其更為復雜。③輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點,在補償設計誤差放大器時,需要將主極點低頻衰減,或者增加一個零點進行補償。
④在傳感及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較為麻煩復雜。改善加快電壓模式控制瞬態(tài)響應速度的方法有二:一是增加電壓誤差放大器的帶寬,保證具有一定的高頻增益。但是這樣比較容易受高頻開關噪聲干擾影響,需要在主電路及反饋控制電路上采取措施進行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋模式控制 PWM技術,如圖1B所示。用輸入電壓對電阻電容(RFF、 CFF)充電產生的具有可變化上斜波的三角波取代傳統(tǒng)電壓模式控制PWM中振蕩器產生的固定三角波。因為此時輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來,因此該方法對輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應速度明顯提高。對輸入電壓的前饋控制是開環(huán)控制,目的為了增加對輸入電壓變化的動態(tài)響應速度。對輸出電壓的控制是閉環(huán)控制。因而,這是一個有開環(huán)和閉環(huán)構成的雙環(huán)控制系統(tǒng)。
2. 峰值電流模式控制PWM (PEAK CURRENT-MODE CONTROL PWM):
峰值電流模式控制簡稱電流模式控制,它的概念在六十年代后期來源于具有原邊電流保護功能的單端自激式反激開關電源。在七十年代后期才從學術上作深入地建摸研究。直至八十年代初期,第一批電流模式控制PWM集成電路的出現(xiàn)使得電流模式控制迅速推廣應用。主要用于單端及推挽電路。近年來,由于大占空比時所必需的同步不失真斜坡補償技術實現(xiàn)上的難度及抗噪聲性能差,電流模式控制面臨著改善性能后的電壓模式控制的挑戰(zhàn)。因為這種改善性能的電壓模式控制加有輸入電壓前饋功能,并有完善的多重電流保護等功能,在控制功能上已具備大部分電流模式控制的優(yōu)點,而在實現(xiàn)上難度不大,技術較為成熟。
如圖2所示,由輸出電壓VOUT 與基準信號VREF的差值經過運放(E/A)放大得到的誤差電壓信號 VE 送至PWM比較器后,并不是象電壓模式那樣與振蕩電路產生的固定三角波狀電壓斜波比較,而是與一個變化的其峰值代表輸出電感電流峰值的三角狀波形或梯形尖角狀合成波形信號V∑比較,然后得到PWM脈沖關斷時刻。因此(峰值)電流模式控制不是用電壓誤差信號直接控制PWM脈沖寬度,而是直接控制峰值輸出側的電感電流大小,然后間接地控制PWM脈沖寬度。電流模式控制是一種固定時鐘開啟、峰值電流關斷的控制方法。因為峰值電感電流容易傳感,而且在邏輯上與平均電感電流大小變化相一致。但是,峰值電感電流的大小不能與平均電感電流大小一一對應,因為在占空比不同的情況下,相同的峰值電感電流的大小可以對應不同的平均電感電流大小。而平均電感電流大小才是一決定輸出電壓大小的因素。在數(shù)學上可以證明,將電感電流下斜波斜率的至少一半以上斜率加在實際檢測電流的上斜波上,可以去除不同占空比對平均電感電流大小的擾動作用,使得所控制的峰值電感電流后收斂于平均電感電流。因而合成波形信號V∑要有斜坡補償信號與實際電感電流信號兩部分合成構成。當外加補償斜坡信號的斜率增加到一定程度,峰值電流模式控制就會轉化為電壓模式控制。因為若將斜坡補償信號完全用振蕩電路的三角波代替,就成為電壓模式控制,只不過此時的電流信號可以認為是一種電流前饋信號,見圖2所示。當輸出電流減小,峰值電流模式控制就從原理上趨向于變?yōu)殡妷耗J娇刂啤?
當處于空載狀態(tài),輸出電流為零并且斜坡補償信號幅值比較大的話,峰值電流模式控制就實際上變?yōu)殡妷耗J娇刂屏?。峰值電流模式控制PWM是雙閉環(huán)控制系統(tǒng),電壓外環(huán)控制電流內環(huán)。電流內環(huán)是瞬時快速的,是按照逐個脈沖工作的。
功率級是由電流內環(huán)控制的電流源,而電壓外環(huán)控制此功率級電流源。在該雙環(huán)控制中,電流內環(huán)只負責輸出電感的動態(tài)變化,因而電壓外環(huán)僅需控制輸出電容,不必控制LC儲能電路。由于這些,峰值電流模式控制PWM具有比起電壓模式控制大得多的帶寬。峰值電流模式控制PWM的優(yōu)點是①暫態(tài)閉環(huán)響應較快,對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態(tài)響應均快。②控制環(huán)易于設計③輸入電壓的調整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術相妣美④簡單自動的磁通平衡功能⑤瞬時峰值電流限流功能,內在固有的逐個脈沖限流功能。⑥自動均流并聯(lián)功能。 缺點是①占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定性,存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差。②閉環(huán)響應不如平均電流模式控制理想。③容易發(fā)生次諧波振蕩,即使占空比小于50%,也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補償。④對噪聲敏感,抗噪聲性差。因為電感處于連續(xù)儲能電流狀態(tài),與控制電壓編程決定的電流電平相比較,開關器件的電流信號的上斜波通常較小,電流信號上的較小的噪聲就很容易使得開關器件改變關斷時刻,使系統(tǒng)進入次諧波振蕩。⑤電路拓撲受限制。⑥對多路輸出電源的交互調節(jié)性能不好。峰值電流模式控制PWM主要的應用障礙是容易振蕩及抗噪聲性差。振蕩可以來源于:器件開啟時的反向恢復引起的電流尖刺,噪聲干擾,斜波補償瞬態(tài)幅值不足等。峰值電流模式控制的開關電源容易在開機啟動及電壓或負載突然較大變化時發(fā)生振蕩。
3. 平均電流模式控制PWM (AVERAGE CURRENT-MODE CONTROL PWM):
平均電流模式控制概念產生于七十年代后期。平均電流模式控制 PWM集成電路出現(xiàn)在九十年代初期,成熟應用于九十年代后期。平均電流模式控制的發(fā)展動力有三:一是峰值電流模式控制PWM在應用推廣時碰到許多嚴重問題;二是INTEL公司的高速CPU集成電路需要具有高DI/DT動態(tài)響應供電能力的低電壓大電流開關電源;三是在八十年代后期平均電流模式控制理論研究上的進展。圖3.A所示為平均電流模式控制PWM的原理圖。輸出電壓信號VOUT與基準給定電壓VREF的差值經過電壓誤差放大器E/A放大后得到誤差電壓VE,它接至電流誤差信號放大器CA的同相端,作為輸出電感電流的控制編程電壓信號VCP(V CURRENT- PROGRAM)。
而帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流信號VI接至電流誤差信號放大器CA的反相端,代表跟蹤電流編程信號VCP的實際電感平均電流。VI 與VCP的差值經過電流放大器CA的放大后,得到平均電流跟蹤誤差信號VCA。再由VCA及三角鋸齒波信號VT或VS通過比較器比較得到PWM關斷時刻。 VCA的波形與電流波形VI反相,所以,是由VCA的下斜波(對應于開關器件導通時期)與三角波VT或VS的上斜波比較產生關斷信號。顯然,這就意味著無形中增加了一定的斜坡補償。為了避免次諧波振蕩,VCA的上斜坡不能超過三角鋸齒波信號VT或VS的上斜坡。平均電流模式控制的優(yōu)點是①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號。②不需要斜坡補償。③調試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越。④適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制。⑤易于實現(xiàn)均流。缺點是① 電流放大器在開關頻率處的增益有大限制 ②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設計調試復雜。
圖3.B為增加輸入電壓前饋功能的平均電流模式控制,非常適合輸入電壓變化幅度大、變化速度快的中國電網情況。澳大利亞R-T公司的48V/100A半橋電路通信開關電源模塊實際上采用圖3.B的控制方式。
4. 滯環(huán)電流模式控制PWM (HYSTERETIC CURRENT-MODE CONTROL PWM):
滯環(huán)電流模式控制PWM為變頻調制,也可以為定頻調制。 如圖4所示,為變頻調制的滯環(huán)電流模式控制PWM。將電感電流信號與兩個電壓值比較,第一個較高的控制電壓值VC由輸出電壓與基準電壓的差值放大得到,它控制開關器件的關斷時刻;第二個較低電壓值VCH由控制電壓VC減去一個固定電壓值VH得到,VH叫做滯環(huán)帶,VCH控制開關器件的開啟時刻。滯環(huán)電流模式控制是由輸出電壓值VOUT、控制電壓值VC及VCH三個電壓值確定一個穩(wěn)定狀態(tài),比電流模式控制多一個控制電壓值VCH,去除了發(fā)生次諧波振蕩的可能性,見圖4右下示意圖。因為VCH1=VCH2,圖4右下示意圖中的情況不會出現(xiàn)。其優(yōu)點:①不需要斜波補償。②穩(wěn)定性好,不容易因噪聲發(fā)生不穩(wěn)定振蕩。缺點:①需要對電感電流全周期的檢測和控制。②變頻控制容易產生變頻噪聲。
5. 相加模式控制PWM (SUMMING-MODE CONTROL PWM):
圖5所示為相加模式控制PWM的原理圖。與圖1.A所示的電壓模式控制有些相似,但有兩點不同:一是放大器(E/A)是比例放大器,沒有電抗性補償元件??刂齐娐分须娙軨1 較小起濾除高頻開關雜波作用。主電路中的較小的LF、CF濾波電路(如圖中虛線所示,也可以不用)也起減小輸出高頻雜波作用。若輸出高頻雜波小的話,均可以不加。因此,電壓誤差放大沒有延時環(huán)節(jié),電流放大也沒有大延時環(huán)節(jié)。二是經過濾波后的電感電流信號VI也與電壓誤差信號VE相加在一起構成一個總和信號 V∑與三角鋸齒波比較,得到PWM控制脈沖寬度。相加模式控制PWM 是單環(huán)控制,但它有輸出電壓、輸出電流兩個輸入參數(shù)。如果輸出電壓或輸出電流變化,那么占空比將按照補償它們變化的方向而變化。其優(yōu)點是:動態(tài)響應快(比普通電壓模式控制快3~5倍),動態(tài)過沖電壓小,輸出濾波電容需要較少。相加模式控制中的VI注入信號容易用于電源并聯(lián)時的均流控制。缺點是:需要精心處理電流、電壓取樣時的高頻噪聲抑制。
結論
不同的PWM反饋控制模式具有各自不同的優(yōu)缺點,在設計開關電源選用時要根據(jù)具體情況選擇合適的PWM的控制模式。
各種控制模式PWM反饋方法的選擇一定要結合考慮具體的開關電源的輸入輸出電壓要求、主電路拓撲及器件選擇、輸出電壓的高頻噪聲大小、占空比變化范圍等。 PWM控制模式是發(fā)展變化的,是互相聯(lián)系的,在一定的條件下是可以互相轉化的。
2、放電性能好:放電電壓平穩(wěn),放電平臺平緩。
3、耐震動性好:完全充電狀態(tài)的電池完全固定,以4mm的振幅,16.7Hz的頻率震動1小時,無漏液,無電池膨脹及破裂,開路電壓正常。
4、耐沖擊性好:完全充電狀態(tài)的電池從20cm高處自然落至1cm厚的硬木板上3次。無漏液,無電池膨脹及破裂,開路電壓正常。
5、耐過放電性好:25攝氏度,完全充電狀態(tài)的電池進行定電阻放電3星期(電阻值相當于該電池1CA放電要求的電阻),恢復容量在75%以上。
6、耐過充電性好:25攝氏度,完全充電狀態(tài)的電池0.1CA充電48小時,無漏液,無電池膨脹及破裂,開路電壓正常,容量維持率在95%以上。
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