模塊電源的特點及應(yīng)用

1 模塊電源的特點

模塊電源是指采用優(yōu)化的最佳電路，利用先進的制造工藝，構(gòu)成一個整體的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的高質(zhì)量的線性或開關(guān)型穩(wěn)壓電源。電源系統(tǒng)設(shè)計者可把模塊電源作為一個電源元件，使用時根據(jù)各自需要不外接或外接少量分立元件就可完成設(shè)計任務(wù)，令電源設(shè)計更簡單。以模塊電源取代分立元件設(shè)計方案，好比用微處理器代替集成塊設(shè)計電子線路一樣，可更加靈活快捷地完成系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)，縮短開發(fā)及更改設(shè)計所花費的時間，節(jié)省人力及技術(shù)投資。從可靠性來說，由于外部接線、焊點或連接點大量減少，可靠性明顯增加。

世界各地從事模塊電源研究、生產(chǎn)的專業(yè)廠家很多。現(xiàn)已面市的有DC／DC、AC／DC(包括含功率因數(shù)校正的前端模塊)、抗電磁干擾模塊等許多系列。其輸出功率范圍從幾瓦到幾千瓦；工作溫度從-55～+125~C；輸出結(jié)構(gòu)有單路輸出、雙路輸出、三路輸出及五路輸出；DC／DC模塊的輸入電壓范圍為4～8V、9～18V、18～36V、36～ 75V、88～185V及200～400V；AC／DC模塊的輸入電壓范圍為85～246VAC、120～371VAC。DC／DC模塊輸出電壓為2～48V；AC／DC模塊輸出電壓為5～48V及280～360V不等。模塊輸出電壓可以調(diào)整，模塊并聯(lián)運行中各模塊之間可以精確地均流，模塊還具有浪涌電流限制和各種檢測及控制功能。為了確保整個設(shè)備在使用壽命期內(nèi)以最佳性能連續(xù)工作，所有模塊都不同程度地遵循和符合國際機構(gòu)認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)：EN、IEC、UL、CSA和VDE。這些高質(zhì)量的電源模塊給電源系統(tǒng)設(shè)計者在更大功率密度、高可靠性、靈活性、提高效率、減少配電損耗、便于熱管理、故障容許配置以及縮短上市時間等方面提供了很多方便。

綜上所述，模塊電源的特點可歸納為四性：即獨立性、抽象性、互換性和靈活性。

獨立性：模塊電源獨立性除指功能的獨立性外，也指模塊的設(shè)計、制造、調(diào)試等過程可以獨立進行。模塊內(nèi)部一般不與外界發(fā)生聯(lián)系，電源系統(tǒng)的各個模塊的功能是明確的，具有一定的獨立性。當(dāng)把一個模塊加到電源系統(tǒng)中或從系統(tǒng)中去掉時，只是系統(tǒng)增加或減少這一模塊所具有的功能，對其它模塊影響較小，或者沒有影響。

抽象性：模塊電源的抽象性是指電源系統(tǒng)設(shè)計者并不需要完全了解模塊的內(nèi)部電路，只需要知道模塊的外部特性就行。電源系統(tǒng)設(shè)計者，在系統(tǒng)的設(shè)計中或?qū)ο到y(tǒng)進行改造的過程中，把模塊電源作為具有特定功能的“黑匣子”來使用，使得即使沒有模塊電源內(nèi)部電路設(shè)計能力的人，也能根據(jù)某些模塊的功能和輸入輸出特性來進行系統(tǒng)的設(shè)計工作。

互換性：模塊電源的互換性是指不同品牌，而外特性一致的模塊互換后不影響系統(tǒng)的功能和特性。

靈活性：模塊電源的靈活性表現(xiàn)為，規(guī)格不同的模塊可以構(gòu)成多種配置方式，功能與特性覆蓋范圍相當(dāng)大的成系列的電源系統(tǒng)。當(dāng)一個電源系統(tǒng)增加或更換某些模塊后，就可以方便地使得性能與功能更新，而且同一功能的電源系統(tǒng)，可以利用不同類型的模塊和不同的連接方式構(gòu)成。

2 模塊電源的應(yīng)用

有些設(shè)計者往往認(rèn)為電子設(shè)備開發(fā)的最后一項任務(wù)是簡單的電源設(shè)計，只要選擇正確的輸入、合理的輸出、適當(dāng)?shù)呢?fù)載電流就算了事。實際上，這種簡單的做法，有可能使整個系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩、出現(xiàn)各種干擾、使電源的調(diào)整性能變差、噪聲變大、發(fā)生接地回路故障、散熱能力不夠等問題。下面介紹針對這些問題的一些處理措施。

2．1 改善負(fù)載效應(yīng)的方法

負(fù)載效應(yīng)定義為：空載或最小負(fù)載下的輸出電壓和滿載輸出電壓之間的差值與滿載輸出電壓的百分比。它表征了負(fù)載變化對電源輸出電壓的影響程度。電源與負(fù)載之間的導(dǎo)線電阻和接點上的接觸電阻越小，對負(fù)載效應(yīng)的影響越小。當(dāng)負(fù)載電流較大時，很小的導(dǎo)電電阻和接觸電阻也會對負(fù)載效應(yīng)有明顯的影響，因而很多大電流電源在內(nèi)部調(diào)整電路的采樣網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置一對引出端，稱之為遙測端。利用遙測端可直接檢測負(fù)載兩端的電壓，減小導(dǎo)線電阻對負(fù)載效應(yīng)的影響。

2．1．1 盡量減少導(dǎo)線電阻及接觸電阻

電壓最簡單的應(yīng)用如圖1所示。圖中電源輸出電壓5V，負(fù)載電流4A。使用這種電源時，除了要選擇所需要輸出的電流及所需要的負(fù)載效應(yīng)值外，應(yīng)盡量減少電源與負(fù)載之間的導(dǎo)線電阻。例如，圖1中使用50cm長的18號銅線，兩根導(dǎo)線共有21mΩ電阻，因此，導(dǎo)線上就有84mV電壓降，占輸出電壓的1．68％。如果電源本身負(fù)載效應(yīng)值為0．1％，而在此電路中實際負(fù)載效應(yīng)值為1．78％，達不到指標(biāo)要求值。解決這種問題的方法是盡可能縮短導(dǎo)線長度或選擇較粗的導(dǎo)線。影響負(fù)載效應(yīng)的另一個重要因素是電源端與負(fù)載連接處的接觸電阻，特別在大電流時更要注意。與上述負(fù)載導(dǎo)線過長一樣，這些連接可存在幾毫歐的接觸電阻和幾個百分點的負(fù)載效應(yīng)值的變化。應(yīng)記住一些重要參考數(shù)值：一個5V輸出，從空載到滿載有5mV變化，則負(fù)載效應(yīng)為0．1％，一個12V輸出，從空載到滿載有2．4mV變化，則負(fù)載效應(yīng)為0．02％。顯然，大電流觸點應(yīng)適當(dāng)處理與焊接。鏟式接線片，橡膠插頭等必須精心進行除銹處理。平面型電路板應(yīng)為大電流負(fù)載提供幾個并行接點，并保證干凈。

2．1．2 正確利用電源的遙測端

許多大電流電源都有遙測端(+S、-S)。遙測端可使電源內(nèi)部調(diào)整電路通過檢測線與負(fù)載相連，從而補償大電流線路壓降對負(fù)載效應(yīng)值的影響。圖2示出了電源遙測端與負(fù)載的正確連接方法。圖中檢測線與大電流負(fù)載線分離，遙測端直接檢測負(fù)載兩端電壓。假如，大電流負(fù)載線上有0．5V壓降，通過遙測端，電源內(nèi)部調(diào)整電路將輸出電壓提高0．5V償線路壓降，保證負(fù)載電壓在額定值上。一般電源可對負(fù)載線路壓降補償1．0V左右。這種方法就是利用提高電源輸出端電壓來維持負(fù)載兩端有準(zhǔn)確的電壓值。遙測端與負(fù)載的連接線應(yīng)屏蔽，以避免電磁干擾影響電源內(nèi)部的調(diào)整電路。在電源內(nèi)部，遙測端與電源輸出端之間通常有一只電阻(如圖2所示)，如遙測端由于粗心而沒有連接到負(fù)載端上，這只電阻可防止輸出端電壓上升過高。如果遙測端不用，應(yīng)該分別與電源正、負(fù)端短接，這時電源工作在本地檢測方式。

2．2 電源與各種負(fù)載的連接方法

2．2．1 直接并行接法

電源與各種負(fù)載的正確連接是電源應(yīng)用中的一個重要環(huán)節(jié)。圖3是電源與負(fù)載并行聯(lián)接的接線方法。圖中，每一個負(fù)載上的電壓與其它負(fù)載電壓的大小和電源接地點有關(guān)。如果負(fù)載電流較大，在輸電線路上的壓降將會增大，使遠(yuǎn)離電源輸出端的負(fù)載電壓達不到要求，并且負(fù)載的變化將使輸出電壓的穩(wěn)定性變差。除了負(fù)載電流很小，線路壓降可以忽略外，這種連接方式不能使用。

2．2．2 放射形接法

圖4給出一種放射形的連接方法，這是一種比較好的接法。用一對粗導(dǎo)線將電源引出，每一個負(fù)載分別與它在同一點上相連接，各個負(fù)載之間基本上不存在相互影響的問題。

2．2.3 混合連接法

當(dāng)然，完全放射式連接是不現(xiàn)實的。但是應(yīng)該盡量使用這種方式，特別對大電流負(fù)載更應(yīng)如此。圖5給出一種放射與并聯(lián)組合連接方式。圖中第一組負(fù)載電流較大，采用放射形連接，并且靠近電源輸出端，第二組負(fù)載電流較小，線路壓降可以忽略，采用直接并聯(lián)方式，也可以離電源輸出端遠(yuǎn)一些。

2．2．4 模擬和數(shù)字電路

圖6電路中模擬和數(shù)字電路同時存在。為了避免數(shù)字電路在電源地線上產(chǎn)生的噪音影響低電平模擬信號。因此，模擬電路和數(shù)字電路分別單獨供電。兩種電源地線和信號地線實現(xiàn)了單點接地互不干擾的格局。實際上，許多三輸出端電源都有獨立的數(shù)字(5V)和模擬輸出(±12V或±15V)公共端，正好滿足圖6的意圖。

2．3 去耦及旁路

所有的電源都有一些輸出電阻和電感，電源引線也是如此。負(fù)載端的高頻交流分量將會在電源的輸出電阻和電感中產(chǎn)生壓降而干擾其它電路，因而高速模擬電路和數(shù)字電路需要加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娐?。圖7所示的負(fù)載去耦電路適合于小線路串聯(lián)阻抗與雜散電容的諧振效應(yīng)，同時也減小負(fù)載電路迅速變化在串聯(lián)電抗中產(chǎn)生的尖峰對電子電路的影響。圖7中給負(fù)載并聯(lián)0．1UF陶瓷電容和1UF電解電容對中頻和高頻干擾起到旁路作用，它將防止多個負(fù)載之間的串音。模擬電路和數(shù)字電路應(yīng)該有各自的旁路電容。電容器不能簡單地從每個電源端接到附近地線上。圖8中旁路電容直接從電路中電源輸入端連接到負(fù)載的公共端(或地)。電容器的連接最好用最短的導(dǎo)線。

2．4 電源模塊的串、并聯(lián)應(yīng)用

2．4．1 串聯(lián)應(yīng)用

一般來說，幾個電源可以串聯(lián)使用。然而，能否串聯(lián)工作必須按照制造廠提供的技術(shù)資料決定。對開關(guān)電源或變換器來說，一個電源的輸出可能會影響另一個電源的反饋回路。一般情況下，兩臺電源的紋波電壓不會同步，串聯(lián)工作將會有附加的紋波電壓。串聯(lián)使用的另一個限制條件是串聯(lián)后總輸出電壓不能超過任何一個電源的擊穿電壓。如果不同電源串聯(lián)時，串聯(lián)后的最大輸出電流等于額定電流最小的那臺電源的額定電流。兩臺電源串聯(lián)使用的電路如圖9所示。圖中每個電源輸出端都并聯(lián)一只反偏二極管，以免反向電壓加至任一電源上，二極管的反向耐壓應(yīng)大于兩個電源輸出電壓總和，平均電流應(yīng)大于電源輸出電流的兩倍。另一種常用的串聯(lián)方法是將一臺雙輸出電源串聯(lián)作為一臺高壓輸出電源，如圖10所示，輸出電壓已經(jīng)利用公共端串聯(lián)，因此，它只能懸浮公共端，將負(fù)載直接與正、負(fù)端輸出相連。例如，用這種方法獲得24V、30V或36V電壓，可以分別用±12V、±15V、±18V雙輸出電源來實現(xiàn)。

2．4．2 并聯(lián)使用

電源并聯(lián)運行比串聯(lián)運行更困難，一般不允許電源并聯(lián)，除非特殊設(shè)計允許并聯(lián)或者技術(shù)條件注明可以并聯(lián)運行。并聯(lián)運行中，兩臺電源要想提供同樣的輸出電流幾乎不可能實現(xiàn)。兩臺固定輸出電壓的電源，盡管型號一樣，也不可能有恰好相等的輸出電壓，輸出電壓較大者將企圖提供整個負(fù)載電流。即使輸出電壓可以調(diào)整到完全相等，各電源輸出阻抗、溫漂、時漂的差別將使兩臺電源的負(fù)載不平衡。圖11給出一種電阻均流的并聯(lián)方式。這種方法是很難得到一個好的結(jié)果。因為輸出端間微小的電壓差將引起很大的電流失衡量。假定輸出電壓標(biāo)稱值為5 V，所帶負(fù)載電流為2A。當(dāng)輸出電壓相差0．2V，就引起輸出電流的100％ 差值，這就意味著一個輸出端提供全部負(fù)載電流。當(dāng)輸出電壓差為50mV時也會導(dǎo)致輸出電流25％失衡。然而，上述并聯(lián)在少數(shù)應(yīng)用中是可以利用的，但要注意兩件事：第一，串聯(lián)電阻嚴(yán)重地降低了負(fù)載效應(yīng)值，本例中，負(fù)載效應(yīng)值至少降低2％(假定輸出電流平衡)。第二，允許50％負(fù)載不平衡情況出現(xiàn)，也就是說，每個電源應(yīng)該有能力提供75％的總負(fù)載電流而不是50％。

有些特殊電源提供了如圖12所示的主一從并聯(lián)工作方式。主電源提供給輔助電源一個控制信號并且調(diào)整它的輸出電流達到兩臺電源負(fù)載電流大致相等。另一種有效的并聯(lián)方法是所用的電源在輸出電流達到額定值時具有恒流特性。兩臺電源并聯(lián)運行中，當(dāng)其中一臺電源工作在輸出伏安特性彎曲點時，兩個輸出電壓將相等。因此，其中一臺提供它自己全部電流而另一臺則提供總負(fù)載電流的剩余部分。

主一主并聯(lián)技術(shù)是電源并聯(lián)運行的最好方法。沒有任何一臺電源起主電源的角色，而是所有電源都在控制自己的工作狀態(tài)。例如中電華星很多DC／DC變換器可工作在完全冗余和并聯(lián)方式。主一從并聯(lián)工作方式中，一旦主電源出現(xiàn)故障則整個電源系統(tǒng)將崩潰，而主一主并聯(lián)技術(shù)則不存在這種危險。

2．4．3 冗余技術(shù)

冗余技術(shù)是電源并聯(lián)運行的一個好方法。圖13給出兩臺電源冗余并聯(lián)方式。為達到100％冗余，每一臺電源必須能提供總的負(fù)載電流。在這種隋況下，不存在負(fù)載均衡的問題。圖13中兩臺電源輸出端通過二極管并聯(lián)，二極管允許其中一臺失效時并不影響另一臺電源繼續(xù)給負(fù)載供電。這種方式常用于不允許電源出故障的重要場合。應(yīng)該注意到，在不間斷的直流供電系統(tǒng)中，其中一臺電源可用電壓相等的電池替代。

2．5 輸入和輸出保護

2．5．1 交流電網(wǎng)和熔斷器

交流電網(wǎng)連接：交流電網(wǎng)到電源有三條線：火線、零線和地線。在所有的電源和電子系統(tǒng)中，這些線應(yīng)該正確連接，缺一不可，圖14給出了正確的連接方式。

安全地必須總是連在電源和系統(tǒng)的底座上，在無電源底座的時候，例如開放式電源板，則應(yīng)使用系統(tǒng)外殼和底座作為安全地。

熔斷器或開關(guān)必須接在交流的火線上，以便當(dāng)電源打開或熔斷器熔斷時，交流火線被斷開。雙擲開關(guān)斷開火線和零線最安全。

火線和零線不能交替，因為它們對地的電勢是不同的，若交換會引起對地環(huán)行電流。

熔斷器：通常電源的輸人必須有安全保險。由于一些電源，如封閉式電源，沒設(shè)置內(nèi)部熔斷器，必須在其外部接人。有關(guān)熔斷器的選用應(yīng)該查閱生產(chǎn)廠提供的技術(shù)參數(shù)來決定。通常，在額定負(fù)載下，使用的熔斷器斷電流為額定輸人交流電流的150％到200％。

2．5．2 輸入噪聲和瞬態(tài)保護

AC／DC變換器與DC／DC變換器都存在輸人噪聲與瞬態(tài)響應(yīng)，這個問題在工業(yè)上尤為突出，諸如電動機、發(fā)電機、繼電器、焊接設(shè)備等都發(fā)出噪聲與瞬態(tài)脈沖，從而給直流或交流輸人帶來附加噪聲，噪聲的其它來源有：負(fù)載電流反射、熒光燈、點火裝置、大電流電源線的干擾等。

2．5．2．1 電源輸入噪聲抑制

無論是AC／DC變換器還是DC／DC變換器，一般都采用電網(wǎng)濾波器來抑制輸人噪聲。濾波器不但能抑制反射紋波電源，也能防止電網(wǎng)噪聲對變圖13 冗余并聯(lián)工作方式 換器的影響。

電源變換器的變壓器繞組之間具有耦合電容，這是使噪聲進入變換器的原因之一。為解決這一問題，變壓器應(yīng)該采用磁路中有隔縫的繞線框來繞制，從而使耦合電容減小。有些變壓器繞組之間采用屏蔽來減小偶合電容。

2．5．2．2 電源輸入瞬態(tài)保護

輸入電壓瞬態(tài)過程要慎重處理，否則，它將損壞變換器。所以，瞬態(tài)電壓超過了額定值，就必須接入外部保護裝置。圖15給出三種常用的瞬態(tài)保護電路：第一種方法是采用熔斷器和壓敏電阻。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過擊穿電壓時，壓敏電阻擊穿電壓一般可達25V或更高。第二種保護方法，是采用一個小電阻與一個齊納二極管串聯(lián)，適用于瞬態(tài)電壓不超過25V的變換器，但必須指出，串入的電阻將降低變化器的效率。第三種方法是采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。TVS是一種高效保護器件。當(dāng)TVS兩端受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10^-12s數(shù)量級的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_kW的浪涌，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值。擊穿電壓可在3-700V之間，根據(jù)型號選擇。

2．5．3 過流保護

幾乎所有的變化器，都帶有過流保護電路。常用的電流保護電路形式有下列兩種，一是截流型保護電路，二是限流型保護電路。在具有截流型保護的開關(guān)電源中，當(dāng)負(fù)載電流超出預(yù)定值時，它將自動將開關(guān)電源的輸出切斷，對電源實現(xiàn)保護。這種形式的保護電路，一旦動作后，通常是不能自行恢復(fù)的。必須在排除故障后，重新啟動電源才能恢復(fù)正常的輸出。

限流型保護和截流型保護電路的不同點在于，在負(fù)載短路或負(fù)載電流過流時，它不是將開關(guān)電源的輸出切斷，而是將其輸出電流限制在某一安全范圍以內(nèi)。限流型保護電路還可用來抑制開關(guān)電源啟動時的浪涌電流，也可用來限制由于功率晶體管兩個半周期波形不對稱時引起的電流不平衡。實現(xiàn)過流保護的方法有許多種，具體電路請參閱開關(guān)電源專著。