模块电源的特点及应用
模块电源的特点及应用
1 模块电源的特点
模块电源是指采用优化的最佳电路，利用先进的制造工艺，构成一个整体的结构紧凑、体积小的高质量的线性或开关型稳压电源。电源系统设计者可把模块电源作为一个电源元件，使用时根据各自需要不外接或外接少量分立元件就可完成设计任务，令电源设计更简单。以模块电源取代分立元件设计方案，好比用微处理器代替集成块设计电子线路一样，可更加灵活快捷地完成系统设计及开发，缩短开发及更改设计所花费的时间，节省人力及技术投资。从可靠性来说，由于外部接线、焊点或连接点大量减少，可靠性明显增加。
世界各地从事模块电源研究、生产的专业厂家很多。现已面市的有DC／DC、AC／DC(包括含功率因数校正的前端模块)、抗电磁干扰模块等许多系列。其输出功率范围从几瓦到几千瓦；工作温度从-55～+125~C；输出结构有单路输出、双路输出、三路输出及五路输出；DC／DC模块的输入电压范围为4～8V、9～18V、18～36V、36～ 75V、88～185V及200～400V；AC／DC模块的输入电压范围为85～246VAC、120～371VAC。DC／DC模块输出电压为2～48V；AC／DC模块输出电压为5～48V及280～360V不等。模块输出电压可以调整，模块并联运行中各模块之间可以精确地均流，模块还具有浪涌电流限制和各种检测及控制功能。为了确保整个设备在使用寿命期内以最佳性能连续工作，所有模块都不同程度地遵循和符合国际机构认定的标准：EN、IEC、UL、CSA和VDE。这些高质量的电源模块给电源系统设计者在更大功率密度、高可靠性、灵活性、提高效率、减少配电损耗、便于热管理、故障容许配置以及缩短上市时间等方面提供了很多方便。
综上所述，模块电源的特点可归纳为四性：即独立性、抽象性、互换性和灵活性。
独立性：模块电源独立性除指功能的独立性外，也指模块的设计、制造、调试等过程可以独立进行。模块内部一般不与外界发生联系，电源系统的各个模块的功能是明确的，具有一定的独立性。当把一个模块加到电源系统中或从系统中去掉时，只是系统增加或减少这一模块所具有的功能，对其它模块影响较小，或者没有影响。
抽象性：模块电源的抽象性是指电源系统设计者并不需要完全了解模块的内部电路，只需要知道模块的外部特性就行。电源系统设计者，在系统的设计中或对系统进行改造的过程中，把模块电源作为具有特定功能的“黑匣子”来使用，使得即使没有模块电源内部电路设计能力的人，也能根据某些模块的功能和输入输出特性来进行系统的设计工作。
互换性：模块电源的互换性是指不同品牌，而外特性一致的模块互换后不影响系统的功能和特性。
灵活性：模块电源的灵活性表现为，规格不同的模块可以构成多种配置方式，功能与特性覆盖范围相当大的成系列的电源系统。当一个电源系统增加或更换某些模块后，就可以方便地使得性能与功能更新，而且同一功能的电源系统，可以利用不同类型的模块和不同的连接方式构成。
2 模块电源的应用
有些设计者往往认为电子设备开发的最后一项任务是简单的电源设计，只要选择正确的输入、合理的输出、适当的负载电流就算了事。实际上，这种简单的做法，有可能使整个系统产生振荡、出现各种干扰、使电源的调整性能变差、噪声变大、发生接地回路故障、散热能力不够等问题。下面介绍针对这些问题的一些处理措施。
2．1 改善负载效应的方法
负载效应定义为：空载或最小负载下的输出电压和满载输出电压之间的差值与满载输出电压的百分比。它表征了负载变化对电源输出电压的影响程度。电源与负载之间的导线电阻和接点上的接触电阻越小，对负载效应的影响越小。当负载电流较大时，很小的导电电阻和接触电阻也会对负载效应有明显的影响，因而很多大电流电源在内部调整电路的采样网络上设置一对引出端，称之为遥测端。利用遥测端可直接检测负载两端的电压，减小导线电阻对负载效应的影响。
2．1．1 尽量减少导线电阻及接触电阻
电压最简单的应用如图1所示。图中电源输出电压5V，负载电流4A。使用这种电源时，除了要选择所需要输出的电流及所需要的负载效应值外，应尽量减少电源与负载之间的导线电阻。例如，图1中使用50cm长的18号铜线，两根导线共有21mΩ电阻，因此，导线上就有84mV电压降，占输出电压的1．68％。如果电源本身负载效应值为0．1％，而在此电路中实际负载效应值为1．78％，达不到指标要求值。解决这种问题的方法是尽可能缩短导线长度或选择较粗的导线。影响负载效应的另一个重要因素是电源端与负载连接处的接触电阻，特别在大电流时更要注意。与上述负载导线过长一样，这些连接可存在几毫欧的接触电阻和几个百分点的负载效应值的变化。应记住一些重要参考数值：一个5V输出，从空载到满载有5mV变化，则负载效应为0．1％，一个12V输出，从空载到满载有2．4mV变化，则负载效应为0．02％。显然，大电流触点应适当处理与焊接。铲式接线片，橡胶插头等必须精心进行除锈处理。平面型电路板应为大电流负载提供几个并行接点，并保证干净。
2．1．2 正确利用电源的遥测端
许多大电流电源都有遥测端(+S、-S)。遥测端可使电源内部调整电路通过检测线与负载相连，从而补偿大电流线路压降对负载效应值的影响。图2示出了电源遥测端与负载的正确连接方法。图中检测线与大电流负载线分离，遥测端直接检测负载两端电压。假如，大电流负载线上有0．5V压降，通过遥测端，电源内部调整电路将输出电压提高0．5V偿线路压降，保证负载电压在额定值上。一般电源可对负载线路压降补偿1．0V左右。这种方法就是利用提高电源输出端电压来维持负载两端有准确的电压值。遥测端与负载的连接线应屏蔽，以避免电磁干扰影响电源内部的调整电路。在电源内部，遥测端与电源输出端之间通常有一只电阻(如图2所示)，如遥测端由于粗心而没有连接到负载端上，这只电阻可防止输出端电压上升过高。如果遥测端不用，应该分别与电源正、负端短接，这时电源工作在本地检测方式。
2．2 电源与各种负载的连接方法
2．2．1 直接并行接法
电源与各种负载的正确连接是电源应用中的一个重要环节。图3是电源与负载并行联接的接线方法。图中，每一个负载上的电压与其它负载电压的大小和电源接地点有关。如果负载电流较大，在输电线路上的压降将会增大，使远离电源输出端的负载电压达不到要求，并且负载的变化将使输出电压的稳定性变差。除了负载电流很小，线路压降可以忽略外，这种连接方式不能使用。
2．2．2 放射形接法
图4给出一种放射形的连接方法，这是一种比较好的接法。用一对粗导线将电源引出，每一个负载分别与它在同一点上相连接，各个负载之间基本上不存在相互影响的问题。
2．2.3 混合连接法
当然，完全放射式连接是不现实的。但是应该尽量使用这种方式，特别对大电流负载更应如此。图5给出一种放射与并联组合连接方式。图中第一组负载电流较大，采用放射形连接，并且靠近电源输出端，第二组负载电流较小，线路压降可以忽略，采用直接并联方式，也可以离电源输出端远一些。
图6电路中模拟和数字电路同时存在。为了避免数字电路在电源地线上产生的噪音影响低电平模拟信号。因此，模拟电路和数字电路分别单独供电。两种电源地线和信号地线实现了单点接地互不干扰的格局。实际上，许多三输出端电源都有独立的数字(5V)和模拟输出(±12V或±15V)公共端，正好满足图6的意图。
2．3 去耦及旁路
所有的电源都有一些输出电阻和电感，电源引线也是如此。负载端的高频交流分量将会在电源的输出电阻和电感中产生压降而干扰其它电路，因而高速模拟电路和数字电路需要加上适当的去耦电路。图7所示的负载去耦电路适合于小线路串联阻抗与杂散电容的谐振效应，同时也减小负载电路迅速变化在串联电抗中产生的尖峰对电子电路的影响。图7中给负载并联0．1UF陶瓷电容和1UF电解电容对中频和高频干扰起到旁路作用，它将防止多个负载之间的串音。模拟电路和数字电路应该有各自的旁路电容。电容器不能简单地从每个电源端接到附近地线上。图8中旁路电容直接从电路中电源输入端连接到负载的公共端(或地)。电容器的连接最好用最短的导线。
2．4 电源模块的串、并联应用
2．4．1 串联应用
一般来说，几个电源可以串联使用。然而，能否串联工作必须按照制造厂提供的技术资料决定。对开关电源或变换器来说，一个电源的输出可能会影响另一个电源的反馈回路。一般情况下，两台电源的纹波电压不会同步，串联工作将会有附加的纹波电压。串联使用的另一个限制条件是串联后总输出电压不能超过任何一个电源的击穿电压。如果不同电源串联时，串联后的最大输出电流等于额定电流最小的那台电源的额定电流。两台电源串联使用的电路如图9所示。图中每个电源输出端都并联一只反偏二极管，以免反向电压加至任一电源上，二极管的反向耐压应大于两个电源输出电压总和，平均电流应大于电源输出电流的两倍。另一种常用的串联方法是将一台双输出电源串联作为一台高压输出电源，如图10所示，输出电压已经利用公共端串联，因此，它只能悬浮公共端，将负载直接与正、负端输出相连。例如，用这种方法获得24V、30V或36V电压，可以分别用±12V、±15V、±18V双输出电源来实现。
2．4．2 并联使用
电源并联运行比串联运行更困难，一般不允许电源并联，除非特殊设计允许并联或者技术条件注明可以并联运行。并联运行中，两台电源要想提供同样的输出电流几乎不可能实现。两台固定输出电压的电源，尽管型号一样，也不可能有恰好相等的输出电压，输出电压较大者将企图提供整个负载电流。即使输出电压可以调整到完全相等，各电源输出阻抗、温漂、时漂的差别将使两台电源的负载不平衡。图11给出一种电阻均流的并联方式。这种方法是很难得到一个好的结果。因为输出端间微小的电压差将引起很大的电流失衡量。假定输出电压标称值为5 V，所带负载电流为2A。当输出电压相差0．2V，就引起输出电流的100％ 差值，这就意味着一个输出端提供全部负载电流。当输出电压差为50mV时也会导致输出电流25％失衡。然而，上述并联在少数应用中是可以利用的，但要注意两件事：第一，串联电阻严重地降低了负载效应值，本例中，负载效应值至少降低2％(假定输出电流平衡)。第二，允许50％负载不平衡情况出现，也就是说，每个电源应该有能力提供75％的总负载电流而不是50％。
有些特殊电源提供了如图12所示的主一从并联工作方式。主电源提供给辅助电源一个控制信号并且调整它的输出电流达到两台电源负载电流大致相等。另一种有效的并联方法是所用的电源在输出电流达到额定值时具有恒流特性。两台电源并联运行中，当其中一台电源工作在输出伏安特性弯曲点时，两个输出电压将相等。因此，其中一台提供它自己全部电流而另一台则提供总负载电流的剩余部分。
主一主并联技术是电源并联运行的最好方法。没有任何一台电源起主电源的角色，而是所有电源都在控制自己的工作状态。例如中电华星很多DC／DC变换器可工作在完全冗余和并联方式。主一从并联工作方式中，一旦主电源出现故障则整个电源系统将崩溃，而主一主并联技术则不存在这种危险。
2．4．3 冗余技术
冗余技术是电源并联运行的一个好方法。图13给出两台电源冗余并联方式。为达到100％冗余，每一台电源必须能提供总的负载电流。在这种隋况下，不存在负载均衡的问题。图13中两台电源输出端通过二极管并联，二极管允许其中一台失效时并不影响另一台电源继续给负载供电。这种方式常用于不允许电源出故障的重要场合。应该注意到，在不间断的直流供电系统中，其中一台电源可用电压相等的电池替代。
2．5 输入和输出保护
2．5．1 交流电网和熔断器
交流电网连接：交流电网到电源有三条线：火线、零线和地线。在所有的电源和电子系统中，这些线应该正确连接，缺一不可，图14给出了正确的连接方式。
安全地必须总是连在电源和系统的底座上，在无电源底座的时候，例如开放式电源板，则应使用系统外壳和底座作为安全地。
熔断器或开关必须接在交流的火线上，以便当电源打开或熔断器熔断时，交流火线被断开。双掷开关断开火线和零线最安全。
火线和零线不能交替，因为它们对地的电势是不同的，若交换会引起对地环行电流。
熔断器：通常电源的输人必须有安全保险。由于一些电源，如封闭式电源，没设置内部熔断器，必须在其外部接人。有关熔断器的选用应该查阅生产厂提供的技术参数来决定。通常，在额定负载下，使用的熔断器断电流为额定输人交流电流的150％到200％。
2．5．2 输入噪声和瞬态保护
AC／DC变换器与DC／DC变换器都存在输人噪声与瞬态响应，这个问题在工业上尤为突出，诸如电动机、发电机、继电器、焊接设备等都发出噪声与瞬态脉冲，从而给直流或交流输人带来附加噪声，噪声的其它来源有：负载电流反射、荧光灯、点火装置、大电流电源线的干扰等。
2．5．2．1 电源输入噪声抑制
无论是AC／DC变换器还是DC／DC变换器，一般都采用电网滤波器来抑制输人噪声。滤波器不但能抑制反射纹波电源，也能防止电网噪声对变图13 冗余并联工作方式 换器的影响。
电源变换器的变压器绕组之间具有耦合电容，这是使噪声进入变换器的原因之一。为解决这一问题，变压器应该采用磁路中有隔缝的绕线框来绕制，从而使耦合电容减小。有些变压器绕组之间采用屏蔽来减小偶合电容。
2．5．2．2 电源输入瞬态保护
输入电压瞬态过程要慎重处理，否则，它将损坏变换器。所以，瞬态电压超过了额定值，就必须接入外部保护装置。图15给出三种常用的瞬态保护电路：第一种方法是采用熔断器和压敏电阻。当瞬态电压超过击穿电压时，压敏电阻击穿电压一般可达25V或更高。第二种保护方法，是采用一个小电阻与一个齐纳二极管串联，适用于瞬态电压不超过25V的变换器，但必须指出，串入的电阻将降低变化器的效率。第三种方法是采用瞬态电压抑制器(TVS)。TVS是一种高效保护器件。当TVS两端受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10^-12s数量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达kW的浪涌，使两极间的电压箝位于一个预定值。击穿电压可在3-700V之间，根据型号选择。
2．5．3 过流保护
几乎所有的变化器，都带有过流保护电路。常用的电流保护电路形式有下列两种，一是截流型保护电路，二是限流型保护电路。在具有截流型保护的开关电源中，当负载电流超出预定值时，它将自动将开关电源的输出切断，对电源实现保护。这种形式的保护电路，一旦动作后，通常是不能自行恢复的。必须在排除故障后，重新启动电源才能恢复正常的输出。
限流型保护和截流型保护电路的不同点在于，在负载短路或负载电流过流时，它不是将开关电源的输出切断，而是将其输出电流限制在某一安全范围以内。限流型保护电路还可用来抑制开关电源启动时的浪涌电流，也可用来限制由于功率晶体管两个半周期波形不对称时引起的电流不平衡。实现过流保护的方法有许多种，具体电路请参阅开关电源专著。
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