2016/9/12 17:27:11 来源: 北京金业顺达科技有限公司
西门子UPS电源供应商
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电源的使用广泛
一、西门子BAYKEE铅酸蓄电池的特点
1、密封性: 采用电池槽盖、极柱双重密封设计,防止漏酸,可靠的安全阀可防止外部空气和尘埃进入电池内部;
2、免维护:水再生能力强,密封反应效率高,因此在整个电池的使用过程中无需补水或加酸维护;
3、安全可靠:无酸液溢出,可靠的安全阀的自动闭合,ups电源价格的另一种较负载的ups电源价格是长机价格的处理。 防爆设备的装置使赛能电池在整个使用过程中更加安全可靠;
4、长寿命设计:计算机精设计的耐腐蚀铅钙铅合金板栅、ABS耐腐蚀材料的使用和极高的密封反应效率保证了蓄电池的长寿命;
5、性能高:1) 体重比能量高,内阻小,输出功率高;2) 充放电性能高,1)根据负载对输出稳定度、切换时间、输出波形要求来确定是选择在线式、在线互动式、后备式以 及正弦波、方波等类型的UPS。在线式UPS的输出稳定度、瞬间响应能力比另外两种强,对非线性负载及感性负载的适应能力也较强。对一些较精密的设备、较重要的设备要求采用在线式UPS。在一些市电波动范围比较大的地区,避免使用互动式和后备式。 如果要使用发电机配短延时UPS,推荐在线式UPS。 自放电控制在每个月2% 以下(20℃);3) 恢复性能好 , 在深放电或者充电器出现故障时,短路放置30天后,仍可使用均衡充电法使其恢复容量;4) 由于单体电池的内阻、容量、浮充电压一致性好,因此电池在浮充使用状态下无需均衡充电。
6、温度适应性强: 可在-30℃~50℃下安全、放心地使用;
7、使用和运输安全简便: 满荷电出厂,1)根据负载对输出稳定度、切换时间、输出波形要求来确定是选择在线式、在线互动式、后备式以 及正弦波、方波等类型的UPS。在线式UPS的输出稳定度、瞬间响应能力比另外两种强,对非线性负载及感性负载的适应能力也较强。对一些较精密的设备、较重要的设备要求采用在线式UPS。在一些市电波动范围比较大的地区,避免使用互动式和后备式。 如果要使用发电机配短延时UPS,推荐在线式UPS。 无游离电解液,电池可横向放置,并可以无危险材料进行水、陆运输;
8、经济实惠: 西门子蓄电池极高的性能,超长的使用寿命,逆变器行业的发展已经迎来了春天,大家知道逆变器的作用是什么吗?它除了能够将直流电转变成交流电之外,还具有一些什么样的功能呢?还有就是在使用它的过程中,需要我们注意的事项时什么呢?西门子蓄电池极低的维护成本确保用户得到的是最经济实惠的产品。电池结构图:Battery construction。
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购买UPS电源时如何选择工频机与高频机
用户在购买大功率UPS的时候,尝尝面临在工频机和高频机之间不知道如何选择,不清楚到底是买工频机好还是选高频机划算的问题。今天,笔者从下面几点来分析工频机和高频机之间的区别,希望能对大家今后在选择UPS的时候有所助益。
1 工频机和高频机的原理分析
工频机和高频机是按UPS的设计电路工作频率来区分的。工频机是以传统的模拟电路原理设计,由晶闸管(SCR)整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。
高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几千赫到几十千赫,甚至高达上百千赫,远远高于工频机,因此称为高频UPS。
2 隔离变压器的原理分析
隔离变压器是利用电磁感应原理,对配电或信号进行电气隔离的装置。隔离变压器在UPS中通常被设计在逆变器的输出端,可以起到增加UPS性能改善负载端供电质量的作用。
通常,UPS的输出隔离变压器有以下四大优点:
(1)降低零地电压,优化UPS末端供电网络
UPS的逆变输出安装隔离变压器可以隔离输入和输出之间的电气连接,从而有效地降低输出的零地电压。由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法,中性点接地后产生新的零线,从而达到降低零地电压的目的。事实上,HP、IBM、SUN的小型机因为要保证精密的计算能力与高可靠的数据处理传输能力,都会对零地电压有极高的要求,加装隔离变压器可以彻底解决因为零地电压偏高所造成的一些问题。
(2)滤除负载端谐波,提高供电质量
隔离变压器本身具有电感特性,输出隔离变压器可以滤除负载端的大量低次谐波,减少高频干扰,并可以使高次谐波大幅度衰减。采用电源隔离变压器,可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰,提高设备的电磁兼容性。
(3)增强过载短路保护能力,保护负载与UPS主机
由于其自身的特性,隔离变压器是UPS中工作最为稳定的器件。UPS在正常工作过程中,如果遇到大的短路电流,变压器会产生反向电动势,延缓短路电流对负载以及逆变器的冲击破坏,具有保护负载与UPS主机的作用。
(4)UPS故障时保护负载
高额UPS的AC/DC变换部分采用高频化设计,提高了UPS的输入功率因数(0.98以上)及输入电压范围,DC/AC逆变部分高频化减少了输出滤波电感的体积,功率密度大。由于无输出隔离变压器,一旦逆变器桥臂的IGBT被击穿短路,BUS母线直流高电压将加到负载上,危及负载的安全。输出隔离变压器具有“通交流阻直流”的能力,可以解决此类问题,在UPS发生故障时能够使负载安全运行。
3 从工频机和高频机的性能对比来分析
(1)在可靠性方面,工频机要优于高频机
工频机采用晶闸管(SCR)整流器,该技术经过半个多世纪的发展和革新,已经非常成熟,其抗电流冲击能力非常强。由于SCR属于半控器件,不会出现直通、误触发等故障。相比而言,高频机采用的IGBT高频整流器虽然开关频率较高,但是IGBT工作时有严格的电压、电流工作区域,抗冲击能力较低。因此在总体可靠性方面,IGBT整流器比SCR整流器低。
(2)在环境适应性方面,高频机要优于工频机
高频机是以微处理器作为处理控制中心,将繁杂的硬件模拟电路烧录于微处理器中,以软件程序的方式来控制UPS的运行。因此,体积、重量等方面都有明显的降低,噪音也较小,对空间、环境影响小,因此比较适合于对可靠性要求不太苛刻的办公场所。正因为如此,许多厂家的中小功率UPS普遍推出了高频机。
(3)在负载对零地电压的要求方面,工频机要优于高频机
大功率三相高频机零线会引入整流器并作为正负母线的中性点,这种结构就不可避免地造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上,抬升零地电压,造成负载端零地电压抬高,很难满足IBM、HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。另外,在市电和发电机切换时,高频机往往因零线缺失而必须转旁路工作,在特定工况下可能造成负载闪断的重大故障。工频机因整流器不需要零线参与工作,在零线断开时,UPS可以保持正常供电。
综上所述,工频机UPS和高频机UPS的差异主要表现在隔离变压器上,而工频机对隔离变压器的使用,在很大程度上提升了UPS的可靠性。从综合性能方面来讲,工频机和高频机则各有优劣,至少在当前,不存在谁取代谁的问题。用户在选购设备的时候应当立足于自身的实际需要,而不是盲目跟从。比如,用户要建设中大型的数据中心,那么对可靠性和稳定性的要求就应当放在第一位,大功率的工频机UPS就应当是首选;如果是一般的办公场所应用,或者主要考虑到设备对空间的占用,则可以采用高频机UPS。
西门子高端UPS进驻西藏银行中心机房
北极星电源网讯:近日,西门子Epower系列高端大功率UPS并机系统及配套防漏液安全专利蓄电池组进驻新近成立的西藏银行数据中心,将为IDC中心机房打造至为可靠的不间断供电系统。
武汉西门子K600有稳压输出针对个人PC、工作站、小型通信设计。体积小、高性能、高可靠、电压调节稳压功能,适应各种环境。宽电压/频率输入可以接受电压输入范围在165VAC~280VAC、频率范围45HZ~55HZ,而提供可靠的电源输出。
人性化的设计面板简洁、容易操作。超静音的设计冷静自如。防突波保护输出电源插座,有效的保护您的电脑外设。高可靠 采用先进的集成控制技术,能够更加精确处理断电、短路、过载、高低压、突波等电力状况,为负载提供全方位的保护。
内置高品质控阀式铅酸电池 采用原装高品质阀控式铅酸蓄电池,电力持久、稳定、有效提高UPS的使用可靠性。自动充电 有接有市电而不开机状态下自动充电;当UPS由电池供电低于下限时自动保护关机,恢复后自动充电。
高性能具有自我监视功能、自我诊断、符合GB/EMC安全规定。GB/EMS具有抗静电能力、抗辐射干扰能力、抗电源脉冲干扰能力、防雷击/浪涌能力。GB/EMI符合Q/TQF1-2006的标准。
西门子K600
基本参数
工作方式 后备式
额定容量(KVA) 0.6
额定容量范围(KVA) 0.6
转换时间(ms) <10
电池类型 12V/7Ahx1
输入输出参数
输出电压范围(V) 220x(1±10%)
输出电压频率范围(Hz) 50
输入电压范围(V) (165-280)x(1±5%)
输入电压频率范围(Hz) (45~55)±1
外观参数
重量(kg) 5.4
长度(mm) 335
宽度(mm) 87
高度(mm) 143
UPS电源它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘,使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。使用范围是非常广泛的。
UPS电源性能特点
1、规格范围:输出电压0-400V、输出电流0-300A、输出功率1500W-3000W之内任选
2、恒压恒流:电压电流值从零至额定值连续可调
3、过流报警:电源输出电流超过电流设定保护值时将声光报警
4、过压保护:电源输出电压超过电压设定保护值时将跳闸保护
5、短路保护:允许在任何工作状态下长期短路或短路开机
6、过载保护:电源或负载出现故障,电源跳闸保护
7、短路报警:当输出电压低于1%额定值时,电源声光报警
8、输出显示:电压、电流同时LED数码显示
9、脉冲工作:可配时间控制器构成脉冲老练电源(选配)
10、智能化:可与计算机连接,组成计算机控制的智能化电源(选配)
电源控制器
电源控制器利用继电器原理,用电脑和中控通过RS-232和RS-485对设备进行控制,已达到弱电控制强电的目的。如控制设备开关,投影机延时关机,电动屏幕、电动窗帘、电动吊架的升降控制等。
继电器(英文名称:relay)是一种电控制器件,是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种"自动开关"。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
目前,电源控制器广泛应用在投影机工程、视频会议系统、电视会议系统、大型会议系统工程等需要控制灯光开关、窗帘开关、屏幕升降、会标升降、投影机电动吊架升降及其他开关量远程控制场合。
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关于UPS电源的一些使用小技巧
使用UPS电源可以解决两个方面的问题,就是意外断电和市电品质差时,UPS电源可以提供及时的供电,保证正常的工作运行和正常的工作效率。
使用UPS电源可以解决两个方面的问题,就是意外断电和市电品质差时,UPS电源可以提供及时的供电,保证正常的工作运行和正常的工作效率。也可以说是UPS的两大主要功能:
第一:应急使用:防止意外断电而影响正常工作.
第二:日常使用:消除市电上的电涌,瞬间高电压,瞬间低电压,电线噪声和频率偏移等电源污染,改善电源质量,提供高质量的电源.
对于这些两大功能,就是一些关于UPS的使用经验希望大家可以借鉴:
第一:带载过轻有可能造成电池的深度放电,分降低电池的使用寿命.
第二:适当的放电有助于电池的激活.如长期不停市电,每3月也应人为断掉市电用UPS带负载放电一次,可以延长电池使用寿命.
第三:多数小型UPS,上班再开启,且开机时避免带载启动,下班应关闭UPS;对于网络机房的UPS,则可全天候运行.
第四:勿带感性负载,如点钞机,日光灯,空调等,以免造成损害.输出负载控制在60%左右优秀,可靠性高.
一、我国电源产业简述
1、电源产业简述
根据国家设立的有关机构、标准组织和权威电源社团组织、权威电源专家对"电源"(Power Supply)的定义:电源是以电力电子学为核心技术的产品。"电源"是终端产品,"电力电子"是应用技术,"电源"产品是"电力电子"应用技术的具体产品体现。电力电子电源通常指采用电力电子技术的电源产品,是电力电子设备中重要组成成员 ( 为了简便,下文中电力电子电源以"电源"冠称。)。
以电力电子学为核心技术的电源产业,随着IT产业、CI产业、PC机广泛应用而得到突飞猛进的发展。电源产业是各类高科技产业发展的基础工业,所有的高精尖科技设备都需要电力电子电源系统技术的配套和支持。随着电力电子技术的发展与综合利用,使电源产业在航空、航天、宇航、舰船、自控自导、尖端武器、原子能、现代化以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用,几乎国民经济各行各业都与电力电子电源产业密不可分。
近几年,境外主要电源供应商逐渐看好中国电力电子电源市场的巨大潜力,纷纷把重点转向中国大陆。在UPS电源产品方面有山特、APC、爱克赛、梅兰日兰、三菱等;在通信开关电源方面有爱立信、美国的Vicor、腾讯科技、朗讯、法国的西门子、日本的新电元等。台湾地区的电源生产厂商也在中国大陆设厂生产,如台达公司在东莞、上海、天津都设立了工厂。
目前,跨国公司在国内电源市场占有依然强劲,如:艾默生(Emerson)、APC、梅兰日兰、伊顿爱克赛,新近进入国内市场的有:荷兰海泰克、ActivePower公司、施恩禧电气(S&C)。
现在中国本土也已形成一批超亿元的电源企业,如:中兴通讯、厦门科华、武汉洲际、烟台东方电子信息集团等,他们有较强的技术力量和开发能力。UPS电源技术也向着多功能、大功率、集成化的方向发展,其中UPS电源行业中的厦门科华、冠军、科士达、易事特、捷益达等一批民营企业领跑在国内UPS市场的前列。
2、电力电子电源产品分类
电力电子电源按产品名称分类,主要有:
第1类:开关电源,包含AC/DC开关电源,DC/DC开关电源,充电器等
第2类:不间断电源(UPS),包含AC UPS和DC UPS等。
第3类:逆变器,包含普通逆变器,LCD背光逆变器,太阳能逆变器等。
第4类:变频器,包含普通变频器,高压变频器等;
第5类:其它: 如交流稳压电源,中频感应加热电源,高压电源、电力机车电源等
3、电源行业的重要性
●国家科技部近期设立了2亿元的电力电子项目专项资金,国家发改委专门在近期发文启动专项课题,用于推进电力电子技术和产业的发展,包括应用装置的产业化,重点围绕节能、交通、电力、冶金等领域需求,支持应用具有自主知识产权芯片和技术的电力电子装置,节能型不间断电源和新型的电力优化装置显然就是典型的支持对象。
●所有能源的应用70%以上需要经过电力电子变换装置,然后再给负载。
●电力电子电源是节能减排的有力手段,同时也是保证信息安全、工业自动化的基石,例如,变频器的应用将使得电机性负载大幅度节能,不间断电源UPS的应用将有效保证信息设备的可靠运行、工业化制造水平的提升,开关整流器是所有网络、通信系统能源心脏
●信息和工业自动化水平的发展,与电力电子电源技术的发展紧密相关。
二、UPS电源系统及产品分类
UPS电源系统设备技术是指依托先进功率转换技术、数字控制技术、高频开关变换技术、脉宽调制技术、电磁兼容技术、冗余并机技术、智能充放电技术、网络技术、驱动技术和新工艺技术等的一门综合技术。
UPS电源已从60年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路,并且还在继续发展。目前,UPS电源一般均指静止式UPS电源,按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类,按照UPS电源功率的大小和应用领域有以下的分类方式:
1、按照UPS功率大小分类:
UPS电源系统按其应用的功率可分为:大、中、小三个分区类别。
小功率UPS电源系统定义为:功率小于3kVA的UPS电源产品;
中等功率UPS电源系统定义为:大于等于3kVA同时小于10kVA的UPS电源产品;
大功率UPS电源系统定义为:大于或等于10kVA的UPS电源产品。
不同功率段UPS产品和技术情况如下:
●功率(P)<3KVA产
小于3KVA的产品主要包括500VA-2KVA的后备式、互动式UPS,以及1-2KVA的在线式UPS。这一功率段的UPS由于技术门槛比较低,市场竞争激烈,国际知名品牌中除了APC、SANTAK作为主要厂家外,其它厂家是很多国内中小UPS厂家。从国内和国际市场的统计数据看,这部分产品的市场销售额比例一直存在小幅下降的趋势。
●3 KVA≤功率(P)<10 KVA产品:
这一功率段的UPS主要是在线式产品,以及少量的3KVA后备式、互动式产品,涉及的技术相对复杂些,产品的质量控制有一定的难度,除了国外品牌产品外,国内的中大规模的UPS厂家有这一功率段的产品。从国内和国际市场的统计数据看,这部分产品的市场销售额比例相对稳定。
●10KVA≤功率(P)<50KVA产品:
这一功率段的UPS是在线式产品,涉及的技术比较复杂,产品的质量控制有相当的难度,除了国外品牌产品外,国内中等以上规模的UPS厂家才有这一功率段的产品。从国内和国际市场的统计数据看,这部分产品的市场销售额比例相对稳定,略有上升。
●功率(P)P≥ 50KVA产品:
这一功率段的UPS是在线式产品,涉及的技术相当复杂,产品的质量控制需要较高的水平和综合实力,除了国外品牌产品外,国内只有极个别的上规模 UPS厂家才有这一功率段的产品。从国内和国际市场的统计数据看,这部分产品的市场销售额比例稳步上升。
2、按照UPS应用领域分类
UPS电源系统按其应用领域可分为:信息设备用UPS电源系统设备和工业动力用UPS电源系统设备二个大类别。
2.1 信息设备用UPS电源系统设备
近几年来UPS电源系统在IT行业发挥着越来越重要的作用,被人们誉为计算机信息的保护神。在世界迈进信息时代之后,信息的安全问题已经被人们广泛关注,因此,在这种时代背景中,UPS的发展趋势引起业界的高度重视是顺理成章的。
信息化通信UPS电源系统主要应用于:信息产业、IT行业、交通、金融行业、航空航天工业等计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的安全保护问题。
UPS电源作为计算机信息系统、通讯系统、数据网络中心等的重要外设,在保护计算机数据、保证电网电压和频率的稳定,改进电网质量,防止瞬时停电和事故停电对用户造成的危害等是非常重要的。
2.2工业动力用UPS电源系统设备
工业动力UPS电源系统设备主要应用于:工业动力设备行业电力、钢铁、有色金属、煤炭、石油化工、建筑、医药、汽车、食品、军事等领域,作为所有电力自动化工业系统设备、远方执行系统设备、高压断路器的分合闸、继电保护、自动装置、信号装置等的交、直流不间断电源设备,保证工业自动化动力供给的可靠性。
工业动力用不间断电源是不间断电源产品中的高端产品,涉及大功率(可能达到兆瓦级)能量变换的电力电子技术、数字化控制技术、交流电源并联冗余技术、有源谐波抑制技术、大功率产品制造技术等,显然,一般的电源企业无法进入该领域,只有已经拥有大功率电力电子技术和系列产品开发、生产、服务能力,并积累相应工业应用经验的企业,才能做好工业动力不间断电源系统的设计、生产、市场服务。传统UPS厂家在这些地方采用的UPS电源往往是具备适应工业自然环境的UPS电源产品,而不是适应工业电气环境、感性动力负载特性的真正工业动力设备用不间断电源。
三、我国UPS电源市场需求综述
国外在不间断电源上起步于70年代,国内起步于80年代后期,起步差距十几年。国内UPS行业经过20年的发展,虽然在中国市场上虽然总体的市场份额被国外知名品牌占据大部分,但是,少数国内较大规模的厂家在市场份额、高端技术等方面已经十分接近国际知名品牌,以下是国内市场需求汇总。
1、UPS电源企业总体规模与销售额分布
UPS电源企业规模较大的销售额达超过2亿元的企业5家,1~2亿元的企业5家; 5000~8000万元左右企业约有15~20余家;2500~5000万元左右企业约有274余家,500~2500万元左右企业约有1 380余家,其它有300多家。
2、国内UPS电源市场总容量
根据相关统计和我们的分析,2006年国内信息设备用UPS电源市场总销售额26.1亿元人民币,2007年总销售额预计达到27.4亿元人民币。工业动力UPS电源系统设备中大功率UPS年市场需求也达近30亿元人民币。
我国UPS电源年市场需求总容量应该在50~60亿元人民币,市场需求巨大。
在各媒体单位年终评选中,梅兰日兰、APC、科华、科士达等UPS电源厂商大出风头,拿下多项评选冠军。
3、国内中大功率UPS电源市场容量
中大功率UPS是不间断电源行业中的高端产品,根据赛迪顾问统计,2006年中国中大功率UPS电源市场销售额为22.1亿元人民币,同比增长7.3%。协会认为,如果加上工业动力设备用的大功率UPS电源需求,市场销售额应有相当比例的上升。
在2006年中国中大功率UPS电源市场的品牌格局中,以销售额来衡量,厦门科华加大行业销售力度,增加新品,市场占有率居于本土品牌第一;科士达充分利用渠道优势的同时,加强新行业开发,拓展其他行业市场,市场占有率占据本土品牌第二。另外,传统中大功率UPS提供商志成冠军也取得了不俗的成绩。
4、工业动力设备用不间断电源市场需求
在电信、金融等行业采购规模与以前相比出现了稳步增长期间,有专业机构做出的调查表明,由于这两个行业的硬件投资比重会逐渐减少,加上这两个行业的 UPS电源保有率较高,因此其UPS电源需求不太可能出现大的增长,预计未来的市场份额将逐渐下降。相反,一些以往占市场比重不大的行业如制造业、交通业、能源业等对UPS电源的需求呈现出了快速增长的势头,特别是制造业中,中小企业的大规模崛起,更是成为了带动UPS电源市场增长的新动力源泉。
工业动力UPS电源系统设备市场销售额随着工业自动化成套设备和设备更新改造的飞速发展,工业动力大功率UPS电源系统设备市场在2000年后开始提高,2003年出现加速,平均增长率达到16%,2006年1至9月更是达到18%。随着重工业化时期的来临,中国工业化、城市化进程加快,全球产业链加速向中国转移。依据协会相关统计数据,分析其数据特征,我们预测工业动力UPS电源系统设备市场未来五年的销售额平均增长率将达到17.5%,2007 年市场销售额在30-35亿元间,潜力巨大。
自然环境的UPS电源产品,而不是适应工业电气环境、感性动力负载特性的真正工业动力设备用不间断电源。
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简述如何降低开关电源纹波
1、滤波电容。滤波电容的ESR和ESL是非常重要的参数,越低越好,仅追求容量是远远不够的,当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下,容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R电容与钽电解的组合,纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解(低ESL型)配合。
2、储能电感。储能电感在工作频率下的Q值越大越好,很多人只注意到电感量,其实Q值的影响要大得多,电感量只要满足要求允许在很大范围内波动。
3、PCB设计。开关电源的PCB设计非常重要,在前两个条件都满足时如果纹波参数还是达不到手册中载明的数值,问题就可以肯定是出在PCB上,开关电源芯片的取样及滤波回路的设计非常讲究,PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差,严重时甚至可能导致自激(一般在特定的负载强度下发生),故不得不查。原则是取样回路和滤波回路要尽量贴近开关电源IC,PCB走线不可太长、太细,类似的储能电感也有同样原则,只是影响稍小,布局、走线不利相当于降低了电感的Q值。
后要说的是,因开关电源IC的内电路设计不同纹波指标也是不同的,多数情况下,开关频率高的容易获得较低的纹波,但价格及对外围元件的要求相对更高,所以要根据需要合理选择,够用即可,否则要付出不必要的成本,器件手册的仔细阅读及理解是第一步。
PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件的导通脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 PWM的开关频率一般为恒定,控制取样信号有:输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统,实现稳压、稳流及恒定功率的目的,同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的PWM闭环反馈控制系统,主要有五种PWM 反馈控制模式。下面以VDMOS开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例说明五种PWM反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、详细电路原理示意图、波形、特点及应用要点,以利于选择应用及仿真建模研究。
开关电源PWM的五种反馈控制模式
1. 电压模式控制PWM (VOLTAGE-MODE CONTROL PWM):
如图1所示为BUCK降压斩波器的电压模式控制PWM反馈系统原理图。电压模式控制PWM是六十年代后期开关稳压电源刚刚开始发展起就采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合,至今仍然在工业界很好地被广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环,采用脉冲宽度调制法,即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜波相比较,通过脉冲宽度调制原理,得到当时的脉冲宽度,见图1A中波形所示。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。主要缺点是暂态响应慢。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时,因为有较大的输出电容C 及电感L相移延时作用,输出电压的变小也延时滞后,输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后,才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。图1A电压误差运算放大器(E/A)的作用有三:①将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈,保证稳态时的稳压精度。该运放的直流放大增益理论上为无穷大,实际上为运放的开环放大增益。②将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号(VE)。即保留直流低频成分,衰减交流高频成分。因为开关噪声的频率较高,幅值较大,高频开关噪声衰减不够的话,稳态反馈不稳;高频开关噪声衰减过大的话,动态响应较慢。虽然互相矛盾,但是对电压误差运算放大器的基本设计原则仍是“低频增益要高,高频增益要低”。③对整个闭环系统进行校正,使得闭环系统稳定工作。电压模式控制的优点:①PWM三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量。②占空比调节不受限制。③对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好。④单一反馈电压闭环设计、调试比较容易。⑤对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点:①对输入电压的变化动态响应较慢。②补偿网络设计本来就较为复杂,闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂。③输出LC滤波器给控制环增加了双极点,在补偿设计误差放大器时,需要将主极点低频衰减,或者增加一个零点进行补偿。
④在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂。改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有二:一是增加电压误差放大器的带宽,保证具有一定的高频增益。但是这样比较容易受高频开关噪声干扰影响,需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理。另一方法是采用电压前馈模式控制 PWM技术,如图1B所示。用输入电压对电阻电容(RFF、 CFF)充电产生的具有可变化上斜波的三角波取代传统电压模式控制PWM中振荡器产生的固定三角波。因为此时输入电压的变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出来,因此该方法对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。对输入电压的前馈控制是开环控制,目的为了增加对输入电压变化的动态响应速度。对输出电压的控制是闭环控制。因而,这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统。
2. 峰值电流模式控制PWM (PEAK CURRENT-MODE CONTROL PWM):
峰值电流模式控制简称电流模式控制,它的概念在六十年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在七十年代后期才从学术上作深入地建摸研究。直至八十年代初期,第一批电流模式控制PWM集成电路的出现使得电流模式控制迅速推广应用。主要用于单端及推挽电路。近年来,由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差,电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。因为这种改善性能的电压模式控制加有输入电压前馈功能,并有完善的多重电流保护等功能,在控制功能上已具备大部分电流模式控制的优点,而在实现上难度不大,技术较为成熟。
如图2所示,由输出电压VOUT 与基准信号VREF的差值经过运放(E/A)放大得到的误差电压信号 VE 送至PWM比较器后,并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比较,而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号V∑比较,然后得到PWM脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度,而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小,然后间接地控制PWM脉冲宽度。电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流容易传感,而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是,峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应,因为在占空比不同的情况下,相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明,将电感电流下斜波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上,可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用,使得所控制的峰值电感电流后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号V∑要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度,峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替,就成为电压模式控制,只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号,见图2所示。当输出电流减小,峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。
当处于空载状态,输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话,峰值电流模式控制就实际上变为电压模式控制了。峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统,电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速的,是按照逐个脉冲工作的。
功率级是由电流内环控制的电流源,而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中,电流内环只负责输出电感的动态变化,因而电压外环仅需控制输出电容,不必控制LC储能电路。由于这些,峰值电流模式控制PWM具有比起电压模式控制大得多的带宽。峰值电流模式控制PWM的优点是①暂态闭环响应较快,对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快。②控制环易于设计③输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美④简单自动的磁通平衡功能⑤瞬时峰值电流限流功能,内在固有的逐个脉冲限流功能。⑥自动均流并联功能。 缺点是①占空比大于50%的开环不稳定性,存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差。②闭环响应不如平均电流模式控制理想。③容易发生次谐波振荡,即使占空比小于50%,也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿。④对噪声敏感,抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态,与控制电压编程决定的电流电平相比较,开关器件的电流信号的上斜波通常较小,电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻,使系统进入次谐波振荡。⑤电路拓扑受限制。⑥对多路输出电源的交互调节性能不好。峰值电流模式控制PWM主要的应用障碍是容易振荡及抗噪声性差。振荡可以来源于:器件开启时的反向恢复引起的电流尖刺,噪声干扰,斜波补偿瞬态幅值不足等。峰值电流模式控制的开关电源容易在开机启动及电压或负载突然较大变化时发生振荡。
3. 平均电流模式控制PWM (AVERAGE CURRENT-MODE CONTROL PWM):
平均电流模式控制概念产生于七十年代后期。平均电流模式控制 PWM集成电路出现在九十年代初期,成熟应用于九十年代后期。平均电流模式控制的发展动力有三:一是峰值电流模式控制PWM在应用推广时碰到许多严重问题;二是INTEL公司的高速CPU集成电路需要具有高DI/DT动态响应供电能力的低电压大电流开关电源;三是在八十年代后期平均电流模式控制理论研究上的进展。图3.A所示为平均电流模式控制PWM的原理图。输出电压信号VOUT与基准给定电压VREF的差值经过电压误差放大器E/A放大后得到误差电压VE,它接至电流误差信号放大器CA的同相端,作为输出电感电流的控制编程电压信号VCP(V CURRENT- PROGRAM)。
而带有锯齿纹波状分量的输出电感电流信号VI接至电流误差信号放大器CA的反相端,代表跟踪电流编程信号VCP的实际电感平均电流。VI 与VCP的差值经过电流放大器CA的放大后,得到平均电流跟踪误差信号VCA。再由VCA及三角锯齿波信号VT或VS通过比较器比较得到PWM关断时刻。 VCA的波形与电流波形VI反相,所以,是由VCA的下斜波(对应于开关器件导通时期)与三角波VT或VS的上斜波比较产生关断信号。显然,这就意味着无形中增加了一定的斜坡补偿。为了避免次谐波振荡,VCA的上斜坡不能超过三角锯齿波信号VT或VS的上斜坡。平均电流模式控制的优点是①平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号。②不需要斜坡补偿。③调试好的电路抗噪声性能优越。④适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制。⑤易于实现均流。缺点是① 电流放大器在开关频率处的增益有大限制 ②双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。
图3.B为增加输入电压前馈功能的平均电流模式控制,非常适合输入电压变化幅度大、变化速度快的中国电网情况。澳大利亚R-T公司的48V/100A半桥电路通信开关电源模块实际上采用图3.B的控制方式。
4. 滞环电流模式控制PWM (HYSTERETIC CURRENT-MODE CONTROL PWM):
滞环电流模式控制PWM为变频调制,也可以为定频调制。 如图4所示,为变频调制的滞环电流模式控制PWM。将电感电流信号与两个电压值比较,第一个较高的控制电压值VC由输出电压与基准电压的差值放大得到,它控制开关器件的关断时刻;第二个较低电压值VCH由控制电压VC减去一个固定电压值VH得到,VH叫做滞环带,VCH控制开关器件的开启时刻。滞环电流模式控制是由输出电压值VOUT、控制电压值VC及VCH三个电压值确定一个稳定状态,比电流模式控制多一个控制电压值VCH,去除了发生次谐波振荡的可能性,见图4右下示意图。因为VCH1=VCH2,图4右下示意图中的情况不会出现。其优点:①不需要斜波补偿。②稳定性好,不容易因噪声发生不稳定振荡。缺点:①需要对电感电流全周期的检测和控制。②变频控制容易产生变频噪声。
5. 相加模式控制PWM (SUMMING-MODE CONTROL PWM):
图5所示为相加模式控制PWM的原理图。与图1.A所示的电压模式控制有些相似,但有两点不同:一是放大器(E/A)是比例放大器,没有电抗性补偿元件。控制电路中电容C1 较小起滤除高频开关杂波作用。主电路中的较小的LF、CF滤波电路(如图中虚线所示,也可以不用)也起减小输出高频杂波作用。若输出高频杂波小的话,均可以不加。因此,电压误差放大没有延时环节,电流放大也没有大延时环节。二是经过滤波后的电感电流信号VI也与电压误差信号VE相加在一起构成一个总和信号 V∑与三角锯齿波比较,得到PWM控制脉冲宽度。相加模式控制PWM 是单环控制,但它有输出电压、输出电流两个输入参数。如果输出电压或输出电流变化,那么占空比将按照补偿它们变化的方向而变化。其优点是:动态响应快(比普通电压模式控制快3~5倍),动态过冲电压小,输出滤波电容需要较少。相加模式控制中的VI注入信号容易用于电源并联时的均流控制。缺点是:需要精心处理电流、电压取样时的高频噪声抑制。
结论
不同的PWM反馈控制模式具有各自不同的优缺点,在设计开关电源选用时要根据具体情况选择合适的PWM的控制模式。
各种控制模式PWM反馈方法的选择一定要结合考虑具体的开关电源的输入输出电压要求、主电路拓扑及器件选择、输出电压的高频噪声大小、占空比变化范围等。 PWM控制模式是发展变化的,是互相联系的,在一定的条件下是可以互相转化的。