開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一般考慮

在設(shè)計(jì)開關(guān)電源之前，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)研究要設(shè)計(jì)的電源技術(shù)要求?，F(xiàn)以一個(gè)通信電源模塊的例子來說明設(shè)計(jì)要考慮的問題。該模塊的技術(shù)規(guī)范如下：

1 電氣性能

除非另外說明,所有參數(shù)是在輸入電壓為220V,交流50Hz以及環(huán)境溫度25℃下測(cè)試和規(guī)定的.

表1.1

1.1 輸入

電壓：?jiǎn)蜗嘟涣黝~定電壓有效值220V±20%
頻率：頻率范圍 45-65Hz
電流：在滿載運(yùn)行時(shí),輸入220V,小于8A。在264V時(shí),沖擊電流不大于18A
效率：負(fù)載由50％－100％為表2.1值
功率因數(shù)：大于0.90,負(fù)載在50％以上,大于0.95
諧波失真：符合IEC 555-2要求
啟動(dòng)延遲：在接通電源3秒內(nèi)輸出達(dá)到它的額定電平
保持時(shí)間：輸入176V有效值,滿載,大于10mS

1.2 輸出

電壓：在滿載時(shí),輸出電壓設(shè)定在表1值的±0.2％
電流：負(fù)載電流從零到最大值(參看表1)，過流保護(hù)開始是恒流,當(dāng)電壓降低到一定值得時(shí),電流截止.
穩(wěn)壓特性：負(fù)載變化由零變到100％, 輸入電壓由176V變到264V最壞情況下輸出電壓變化不超過200mV.
瞬態(tài)響應(yīng)： 在沒有電池連接到輸出端時(shí),負(fù)載由10％變化到100％,或由滿載變化的10％,恢復(fù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)在2mS之內(nèi).最大輸出電壓偏擺應(yīng)當(dāng)小于1V.
靜態(tài)漏電流：當(dāng)模塊關(guān)斷時(shí),最大反向泄漏電流小于5mA.
溫度系數(shù)：模塊在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)≤±0.015％.
溫升漂移：在起初30秒內(nèi),±0.1％
輸出噪音：輸出噪音滿足通信電源標(biāo)準(zhǔn),衡重雜音＜2mV.

1.3 保護(hù)

輸入：輸入端保護(hù)保險(xiǎn)絲定額為13A.
輸出過壓：按表1.1設(shè)置過壓跳閘電壓,輸出電壓超過這個(gè)電平時(shí),將使模塊鎖定在跳閘狀態(tài).通過斷開交流輸入電源使模塊復(fù)位.
輸出過流：過流特性按表1.1的給定值示于圖1.過流時(shí),恒流到60％電壓,然后電流電壓轉(zhuǎn)折下降.(最后將殘留與短路相同的狀態(tài))
輸出反接：在輸入反接時(shí),在外電路設(shè)置了一個(gè)保險(xiǎn)絲燒斷(＜32A/ 55V)
過熱：內(nèi)部檢測(cè)器禁止模塊在過熱下工作，一旦溫度減少到正常值以下,自動(dòng)復(fù)位.

1.4 顯示和指示功能

輸入監(jiān)視：輸入電網(wǎng)正常顯示.
輸出監(jiān)視：輸出電壓正常顯示.(過壓情況關(guān)斷).
限流指示：限流工作狀態(tài)顯示.
負(fù)載指示： 負(fù)載大于低限電流顯示.
繼電器：輸入和輸出和輸入正常同時(shí)正常顯示。
輸出電流監(jiān)視：負(fù)載從10％到100％,指示精度為±5％.
遙控降低：提供遙控調(diào)節(jié)窗口.

1.5 系統(tǒng)功能

電壓微調(diào)：為適應(yīng)電池溫度特性,可對(duì)模塊的輸出電壓采取溫度補(bǔ)償.
負(fù)載降落：為適應(yīng)并聯(lián)均流要求，應(yīng)能夠調(diào)節(jié)外特性。典型電壓降落0.5％,使得負(fù)載從零到增加100％,輸出電壓下降250mV.
遙控關(guān)機(jī)：可實(shí)現(xiàn)遙控關(guān)機(jī)。

1.6 電氣絕緣

下列試驗(yàn)對(duì)完成的產(chǎn)品100％試驗(yàn)。

1.在L(網(wǎng))和N(中線)之間及其它端子試驗(yàn)直流電壓為6kV.

2.在所有輸出端和L,N及地之間試驗(yàn)直流2.5kV.這檢查輸出和地之間的絕緣.

3.下列各點(diǎn)分別到所有其它端子試驗(yàn)直流100V：
電壓降低(11和12腳)
繼電器接點(diǎn)(14,15和16腳)
狀態(tài)選擇-輸入,輸出和電流限制(3,4,5和6腳)

4.地連續(xù)性-以25A,1 分鐘檢查,確認(rèn)安全接地的阻抗小于0.1Ω.

1.7 電磁兼容

符合郵電部通信電源標(biāo)準(zhǔn).

2 機(jī)械規(guī)范

尺寸：略
重量： 略
安裝方向： 模塊設(shè)計(jì)安裝方向是面板垂直放置,使空氣垂直通過模塊.
通風(fēng)和冷卻： 模塊的頂部和底部都有通風(fēng)槽,使空氣流通過模塊,經(jīng)過散熱器.因此在系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)沒有阻礙地對(duì)流冷卻模塊,并應(yīng)強(qiáng)迫冷卻裝置使冷卻空氣經(jīng)過模塊自由流通.

3 環(huán)境條件

環(huán)境溫度： 在0～55℃溫度范圍內(nèi)滿功率工作.在模塊下50mm處模塊的入口測(cè)量溫度.
存儲(chǔ)溫度：－40～+85℃
濕度：5％～80％,不結(jié)冰.
高度： -60m～2000m工作;-60m～10000m不工作.

4 可靠性

MTBF大于100000小時(shí).
這些要求包括：輸入電源，輸入電壓的類型－交流還是直流。交流電源的頻率和電壓變化范圍，整流濾波方式，是否有功率因數(shù)要求？如果是直流電源，是直流發(fā)電機(jī)，還是蓄電池、抑或其它直流變換器？是電流源還是電壓源？它們的變化范圍和紋波大小。輸出電壓（電流）大小和調(diào)節(jié)范圍，穩(wěn)壓（或穩(wěn)流）精度，輸出有幾路？輸出電流（或輸出功率），輸出紋波電壓要求，是否需要限流？瞬態(tài)響應(yīng)要求。負(fù)載特性：蓄電池，還是熒光燈，還是電機(jī)？這些電氣性能之外，是軍用還是民用？EMC要求，環(huán)境溫度。體積與重量要求。是否需要遙控，遙測(cè)或遙調(diào)？是否需要提供自檢測(cè)，如此等等。設(shè)計(jì)出的電源必須滿足這些要求。

1.1 主電網(wǎng)電源

如果你購進(jìn)國(guó)外電氣設(shè)備，不管青紅皂白就去插上電源，弄不好就可能燒壞設(shè)備電源。因此，要安全使用國(guó)外設(shè)備，要知道國(guó)外電網(wǎng)電源的種類和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如果你設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是提供出口，也必須了解該地區(qū)的電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。

首先世界上主電網(wǎng)的交流電源頻率在美國(guó)是60Hz，而在中國(guó)和歐洲是50Hz。實(shí)際上，頻率也有一定的變化范圍，電網(wǎng)負(fù)荷重的時(shí)候，50Hz可能降低到47Hz；如果負(fù)載很輕時(shí)，60Hz可能上升到63Hz。這是因?yàn)閹?dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可能是沒有調(diào)節(jié)公差的恒速運(yùn)行。50Hz供電的直流電源必須使用比60Hz供電更大的濾波元件，供電變壓器鐵芯更大或線圈匝數(shù)更多。

其次電源電壓在不同地區(qū)也不同：在中國(guó)，家用電器和小功率電氣設(shè)備由單相交流220V供電，工業(yè)用電是三相380V。在美國(guó)民用電源為110V（有時(shí)是120V），而家用電器，如洗衣機(jī)電源是208V，而工業(yè)用電是480V，但是照明卻是277V，當(dāng)然也有用120V的；在歐洲為230V，而在澳大利亞卻是240V，如此等等。

以上的電網(wǎng)電壓僅僅是其額定值，每一種電網(wǎng)都有允許偏差。例如電網(wǎng)隨負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生較大波動(dòng)。在上世紀(jì)末我國(guó)電網(wǎng)改造前，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍高達(dá)30%以上。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大量電廠建立，供電量充足，同時(shí)經(jīng)過電網(wǎng)改造，合理輸配電，目前在我國(guó)大多數(shù)地區(qū)供電質(zhì)量明顯提高，一般變化在10%以內(nèi)，即在198V～242V之間。但在鐵道系統(tǒng)和某些邊遠(yuǎn)山區(qū)變化范圍仍可能達(dá)到30%。因此，你設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，必須迎合使用地區(qū)的供電情況，即使遇到意外情況，也能夠安全運(yùn)行而不發(fā)生故障。有時(shí)電網(wǎng)也可能丟失幾個(gè)周波，要求有些電源能夠不間斷（保持時(shí)間）地工作，這就要求較大的輸出電容或并聯(lián)電池滿足這一要求。

電網(wǎng)還存在過壓情況。雷擊和閃電在2Ω阻抗上,引起線與線電壓和共模干擾可高達(dá)6000V電壓。閃電有兩種類型，一種是短脈沖，上升時(shí)間1.2μs，衰減時(shí)間50μs，另一種很高能量，衰減時(shí)間1ms。電網(wǎng)還有瞬態(tài)電壓，峰值達(dá)750V，持續(xù)半個(gè)電網(wǎng)周期，這主要是大的負(fù)載的接入或斷開，或高壓線跌落引起電網(wǎng)的瞬變。

實(shí)際上工業(yè)電網(wǎng)面臨的問題遠(yuǎn)不止這些，交流電網(wǎng)是一個(gè)骯臟的環(huán)境。你所設(shè)計(jì)的電源應(yīng)當(dāng)能夠在這個(gè)環(huán)境中工作，同時(shí)還要滿足國(guó)際和各地區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 電池

在通信，電站，交通要求不間斷供電的地方，電池作為不可缺少的儲(chǔ)能后備能源。大量移動(dòng)通訊站和手機(jī)，以及電動(dòng)汽車，助力電瓶車都依靠電池提供能量。風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電存儲(chǔ)峰值能量作

為后備能源。但是電池涉及到電化學(xué)和冶金學(xué)知識(shí)，已超出一般電氣工程師的知識(shí)范疇。這里介紹一些使用電池基礎(chǔ)知識(shí)，使你知道設(shè)計(jì)充電電源和使用電池供電時(shí)應(yīng)注意的一些問題。

利用電化學(xué)可逆原理做成的最基本的單元電池叫單體電池。典型的單體電池是由兩個(gè)金屬極板和構(gòu)成它們之間導(dǎo)電通路工作介質(zhì)組成，這種通路材料可能是液體或固體，與特定化學(xué)機(jī)理有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在于是否能夠更有效進(jìn)行電－化學(xué)反應(yīng)（可再充電，即二次電池，也稱為蓄電池。不能再充電叫一次電池）。根據(jù)不同通路材料的安排，一個(gè)金屬極板為電池的陽極－正極，另一個(gè)則為陰極－負(fù)極。如將兩個(gè)金屬極板（陰極和陽極）接到電源上，電的作用改變了工作介質(zhì)的化學(xué)狀態(tài)，這就是儲(chǔ)能。如將已儲(chǔ)能的電池極板接到負(fù)載，材料化學(xué)作用放出電荷返回到原始狀態(tài)，釋放出電能。

單體電池一般很低，例如鉛酸蓄電池單體電池額定電壓為2V。因此較高電壓的電池一般由許多單體電池串聯(lián)組成。應(yīng)當(dāng)注意：不要自己將電池連接成你需要的電壓和容量，電池不能直接并聯(lián)！你只能按制造廠系列產(chǎn)品選擇你需要的電池容量和電壓。如果在每個(gè)電池端串聯(lián)一個(gè)二極管就可以并聯(lián)。

在電池工作范圍內(nèi)，電池