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初學(xué)者設(shè)計反激電源式電源步驟

作者: 時間:2011-09-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

準備

在初次設(shè)計電源之前,應(yīng)確保電源所采用的印刷電路板符合Power Integrations器件數(shù)據(jù)手冊中指定的布局指南。如果在實驗用面包板或原始樣板上搭建設(shè)計的電路,會引入很多寄生元件,這樣會影響電源的正常工作。而且,許多實驗用面包板都無法承載開關(guān)電源所產(chǎn)生的電流水平,并可能因而受損。此外,在這些電路板上非常難以控制爬電距離和電氣間隙。

所需設(shè)備

在本課程中,您將用到以下設(shè)備:

1.一個隔離式交流電源供應(yīng)器或一個自耦變壓器

2.一個瓦特表

3.至少四個數(shù)字萬用表,其中兩個具有高精度電流量程

4.一個帶有高壓探針的示波器

5.一個電流探針6. 還有您的實際負載

第1章:術(shù)語本課中將頻繁使用的兩個術(shù)語是“穩(wěn)壓”和“自動重啟動”。當電源處于穩(wěn)壓狀態(tài)時,控制器持續(xù)接收反饋,所有輸出電壓均保持穩(wěn)定不變,并處于指定的容差限值內(nèi)。自動重啟動是Power Integrations器件中內(nèi)置的一種保護模式。處于穩(wěn)壓狀態(tài)的輸出

自動重啟動

在工作期間,如果所消耗的功率大于電源所能提供的功率限值,或者在啟動后,電源的輸出電壓在指定的時間內(nèi)不能達到穩(wěn)壓,Power Integrations器件將進入自動重啟動保護模式。這種設(shè)計通過限制電源在故障情況下提供的平均功率,可防止元件受損。有關(guān)特定的自動重啟動導(dǎo)通時間,請參見相關(guān)的Power Integrations器件數(shù)據(jù)手冊。在測試期間,如果發(fā)現(xiàn)電源性能與本課程中所描述的情況不符,或者表現(xiàn)出任何異常特征,請停止測試程序,并參照其他PI大學(xué)故障診斷課程中的內(nèi)容排查問題,或者聯(lián)系當?shù)豍I代表解決問題。

第2章:設(shè)計信息

現(xiàn)在就可以開始測試了。下面,我們將以使用TinySwitch -PK器件的RD-1151參考設(shè)計電路板為例進行講解。該電源用于DVD播放器,可提供7.5 W的連續(xù)輸出功率,峰值功率為13 W。連續(xù)輸出功率分為四路輸出,它們包括

3.3 V,500 mA

5 V,500 mA

正12 V,250 mA

負12 V,30 mA

第3章:目測

設(shè)計之前,應(yīng)先目測檢查電路板,確保所有極性組件都已正確插裝。雖然這種情況并不常見,但一個元件插裝錯誤卻能導(dǎo)致破壞性故障。即使在完成了元件插裝檢查后,我們?nèi)詮娏医ㄗh您在第一次設(shè)計電源時佩戴護目裝置。確保所有極性組件都已正確插裝第4章:禁用欠壓鎖存

第一步是檢查電源能否在低輸入電壓下正確工作,因此您需要禁用Power Integrations器件的欠壓鎖存功能(如果已啟用的話)。在大部分設(shè)計中,這意味著將UV電阻從電路板上卸除。在本設(shè)計范例中,UV電阻連接在DC總線和TOPSwitch -HX器件的M引腳之間。您需卸除這些電阻,使M引腳與源極短路。如果是其他產(chǎn)品,請參閱相應(yīng)的器件數(shù)據(jù)手冊,確定應(yīng)使用的正確元件和禁用UV功能的方法。


第5章:極低電壓工作

接下來,將兩個短導(dǎo)線焊接到輸入電容的負極和正極端子上,用作測試點。為了正確驗證低電壓工作情況,您需要在施加低AC輸入電壓的過程中,監(jiān)測輸入電容的輸出電壓和DC總線電壓。將一個萬用表連接到電路板的輸出端子,并將另一個萬用表連接到輸入電容,利用兩個測試點進行監(jiān)測。這兩個萬用表都應(yīng)設(shè)置為讀取DC電壓。

如果您的設(shè)計有多路輸出,可將負載電阻連接到主穩(wěn)壓輸出以外的任何輸出。負載電阻的大小應(yīng)能夠吸收為每個輸出指定的最小負載。這樣可防止這些輸出電壓因峰值充電而超出規(guī)格范圍。

如果沒有為輸出指定最小負載,那么選擇電阻吸收5 mA的輸出電流。將AC輸入導(dǎo)線連接到電路板。確保AC輸入正確連接到電源的輸入端子,而不是連接到DC輸出。AC輸入連接錯誤可嚴重損壞電源。

在本測試中,您還需要測量AC輸入功率。如果您有瓦特表,請參照其操作手冊中有關(guān)如何安裝到AC輸入通道的說明,配置為測量AC電壓、電流及輸入功率。如果沒有瓦特表可用,可將第三個萬用表與AC輸入串聯(lián),設(shè)置為測量AC電流。再將第四個萬用表連接到電源輸入端子,測量AC電壓。

現(xiàn)在,確保自耦變壓器或交流電源供應(yīng)器設(shè)置為零,然后將其開啟。將輸入電壓慢慢提高到約10 VAC。您應(yīng)該可以在瓦特表或輸入萬用表上看到AC輸入電壓在逐步增大。如果沒看到的話,應(yīng)確認您的交流電源供應(yīng)器是否配置正確。您還應(yīng)該看到DC總線電壓在您施加AC電壓的過程中不斷增大。

如果您使用的是瓦特表,穩(wěn)態(tài)AC輸入功率應(yīng)小于15 mW。如果您使用的是兩個萬用表,穩(wěn)態(tài)AC電流讀數(shù)應(yīng)小于10 mA。如果您看到輸入功率或AC電流高于此值,那么說明您的電路板存在故障。關(guān)閉交流電源供應(yīng)器,斷開AC輸入連接。

在上述情況下,持續(xù)提高AC電壓會對電路板造成破壞性故障。有關(guān)確定和修復(fù)電路板故障的信息,請參見PI大學(xué)課程“修復(fù)無輸出電壓的反激式電源”。

第6章:啟動和穩(wěn)壓

如果輸入功率小于15 mW,則可繼續(xù)將電壓增大到50 VAC。觀測DC輸出電壓,如果輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)、自動重啟動狀態(tài),或者輸出電壓表上的電壓讀數(shù)大于0.1 V,則說明的電路板未受損且功能正常。

繼續(xù)將AC輸入電壓增大至指定的最小輸入電壓。如果電源無法啟動或達到穩(wěn)壓,請停止測試,并參照PI大學(xué)課程“修復(fù)輸出無法達到穩(wěn)壓的反激式電源”排查問題。

現(xiàn)在,關(guān)閉AC輸入,將輸入導(dǎo)線從電路板斷開,將輸入電容放電至安全的電壓水平。此外,將萬用表從DC大容量電容斷開。

第7章:MOSFET漏極開關(guān)波形

接下來,您需要監(jiān)測漏極開關(guān)波形。斷開電路板上的漏極走線,插入一個電流環(huán)。確保此斷開點介于Power Integrations器件漏極引腳與箝位電路中的任何元件之間。這樣可以確保探針只檢測到MOSFET電流。

將一個1000 V或更大倍數(shù)的x100探針連接到MOSFET兩端來測量開關(guān)電壓。將示波器配置為以適當?shù)谋壤瑫r顯示電壓和電流波形,并設(shè)置一個寬時基,以便在一幀圖像上顯示許多開關(guān)周期。例如,對于這個132 kHz設(shè)計,可將時基設(shè)置為每格50 μs。

第8章:負載主輸出

現(xiàn)在,將一個電子負載連接到電源的主輸出,確保負載設(shè)置為零。將兩個萬用表連接到該輸出,一個連接到輸出端子來測量輸出電壓,另一個與電子負載串聯(lián)來測量輸出電流。用精度最高的萬用表來測量輸出電流。重新將AC輸入導(dǎo)線連接到電路板,確保自耦變壓器或交流電源供應(yīng)器設(shè)置為零?,F(xiàn)在,接通AC輸入,慢慢將電壓增大至電源的最小指定輸入電壓。慢慢將電源的負載增大至滿功率的25%。輸出電壓應(yīng)維持在指定穩(wěn)壓容差范圍內(nèi)。繼續(xù)將負載提升到滿載。輸出電壓應(yīng)保持穩(wěn)定,并處于穩(wěn)壓限值范圍內(nèi)

第9章:滿載工作

如果您的設(shè)計采用多路輸出,請關(guān)斷AC輸入,拆下早前安裝的最小負載電阻。將所有這些電阻都分別替換為電子負載,直到您電源的所有輸出都加有負載。如果此時沒有電子負載可用,請參照電力電子裝置導(dǎo)論課程了解更多負載選項,以及如何替代它們的信息。按照前面所講的方法,連接兩個萬用表來監(jiān)測每個輸出的輸出電壓和電流。本設(shè)計總共有4路輸出,因此總共需要8個萬用表,其中至少4個應(yīng)具有高精度電流量程。這種配置便于進行快速測量。如果沒有足夠的這種萬用表可用,可以用一個萬用表來測量所有電壓,方法是將它輪流連接到所有輸出,分別測量電壓,一次測量一個輸出。

將所有負載設(shè)置為從每個輸出吸收少量的電流,避免峰值充電的發(fā)生。再次將AC輸入歸零,然后接通,慢慢將輸入增大至電源的最小工作電壓。從主輸出開始逐個慢慢增大每個輸出的負載,以達到該輸出的額定滿載點,直到電源的所有負載都提供指定的滿輸出功率為止。

此時,您的電源提供最大連續(xù)輸出功率。所有輸出都應(yīng)保持穩(wěn)壓,并且處于指定的容差限值范圍內(nèi)。否則,請停止測試,參照PI大學(xué)故障診斷課程中的內(nèi)容來排查問題。如果電源已進入自動重啟動模式,請參見PI大學(xué)課程“修復(fù)無法提供滿功率的反激式電源”。

第10章:檢驗效率

當電源在最大連續(xù)負載和低壓狀態(tài)下運行時,對電源執(zhí)行快速效率測量,并將測量結(jié)果與PI Expert指定的目標值進行比較。如果發(fā)現(xiàn)測量的效率低于預(yù)期的5%以上,請參照PI大學(xué)故障診斷課程中的內(nèi)容排查問題。

第11章:峰值漏極電壓(高壓)

接下來,減小示波器的時基,并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。將示波器設(shè)置為正常觸發(fā)模式,然后緩慢增加觸發(fā)電平,直至示波器在MOSFET電壓出現(xiàn)最高峰值時偶爾觸發(fā)。

利用示波器的光標測量MOSFET在此峰值時的最大電壓?,F(xiàn)在,緩慢將AC輸入電壓增加到最大輸入電壓,增加50 V后暫停,以增加觸發(fā)電平,然后測量最高峰值。

一旦所測得的峰值漏極電壓超過650 VDC,則應(yīng)停止增加輸入電壓,以防止該電壓超過MOSFET的最大額定電壓。如果在被迫停止前尚未達到最大輸入電壓,則說明您的箝位電路可能設(shè)計有誤,或者變壓器漏感超過了預(yù)期值。請先解決這一問題,然后再繼續(xù)下一操作。

第12章:欠壓鎖存

接下來,將各輸出負載降至最低,然后切斷AC輸入。如果您的設(shè)計中包含UV檢測電路,則請重新連接該電路。此外,應(yīng)將一個萬用表連接到輸入大容量電容兩端,設(shè)置為測量DC電壓。將AC輸入歸零并接通,然后緩慢增加電壓,直至DC總線電壓達到UV閾值的下限。電源的啟動電壓應(yīng)介于根據(jù)Power Integrations器件及您的UV電阻的容差所定義的兩個限值之間。而且,電源在電壓達到您設(shè)計的最小AC輸入電壓之前應(yīng)能啟動。

在我們的設(shè)計范例中,電源應(yīng)在DC總線上的78 V到105 VDC電壓范圍內(nèi)啟動,這由電阻和器件UV電流閾值的容差所定義。

第13章:峰值漏極電壓(過載)

電源啟動后,將AC電壓增加到最小輸入電壓,然后使電源上的負載達到滿載。在主輸出上,開始緩慢增加負載,同時監(jiān)測示波器上的峰值漏極電壓。在開始使電源輸出過載時,確認該峰值電壓始終不會超過650 V峰值。如果超過峰值,請停止測試,排查箝位電路上的問題。

一旦達到最大過載功率,輸出將會失調(diào)。這將觸發(fā)Power Integrations器件并進入自動重啟動,或者進行鎖存關(guān)斷。自動重啟動是對電壓失調(diào)最常見的一種響應(yīng)方式,但具體響應(yīng)情況因器件系列和電路配置而異。詳細信息請參見產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。記錄電源在剛進入保護模式之前示波器上所顯示的峰值漏極電壓值。如果該電壓大于650 VDC,您需要調(diào)整箝位電路。電源過載會給所有元件帶來壓力,且會增加電源的損耗。這將導(dǎo)致元件溫度迅速升高,因此如果出現(xiàn)過熱的情況,應(yīng)立即停止測試,讓電源慢慢冷卻下來。

第14章:峰值漏極電壓(啟動)

進行下一個測試時,需要將電源負載減小至滿載。如果電源已進入鎖存關(guān)斷模式,可能需要在電源返回正常操作模式之前切斷并重新接通AC輸入。切斷交流電源供應(yīng)器,然后等待DC總線上的電壓已降至約10 V。如果設(shè)計中采用了大容量電容,可能需要花費幾分鐘的時間。使用電容放電板可以縮短這一時間。

接下來,您將檢驗啟動時的漏極電壓和電流波形。將輸入電壓增至最大值,確保電源處于滿載狀態(tài)。將示波器設(shè)置為在漏極電壓波形的上升沿正常觸發(fā)。緩慢增加觸發(fā)電平,直至找到可在正常工作模式下進行觸發(fā)的最高電平。然后切斷交流輸入,重新裝上電源。

在增加觸發(fā)電平的過程中繼續(xù)這一操作,直至在裝上電源的過程中抓取到最高峰值電壓。如果測得的最高電壓超過650 V 峰值,則需要重新設(shè)計箝位。

第15章:漏極電流波形(啟動)

觸發(fā)示波器上的漏極電流波形時重復(fù)上述操作程序,測量在裝上電源時看到的最高電流。檢驗電流波形的形狀,看是否存在變壓器飽和的跡象。啟動過程中,可能會看到兩個電流波形中的一個。左側(cè)波形是正常電流脈沖,它在導(dǎo)通到關(guān)斷的過程中呈線性斜升。右側(cè)電流脈沖表示存在變壓器飽和的跡象。請注意該脈沖是如何以類似指數(shù)的形式上升到更高端的。這是變壓器磁芯達到飽和且不能再貯存能量的臨界點。此時,初級電流將快速增大,可能會損壞Power Integrations器件或其他初級側(cè)元件。變壓器飽和的主要原因是有過多的磁通在磁芯中累積。如果在您的設(shè)計中發(fā)現(xiàn)飽和現(xiàn)象,首先需要與變壓器供應(yīng)商核實,看變壓器是否嚴格按照PI Expert設(shè)計所指定的參數(shù)值進行制造。此外,還應(yīng)確保變壓器的初級電感值處于設(shè)計所容許的容差限值范圍內(nèi)。(請參見第16章,了解不使用LCR測量儀進行此測量的具體方法。)如果器件限流點設(shè)定過高,也會造成變壓器飽和。請查閱所用器件的數(shù)據(jù)手冊,了解檢驗限流點設(shè)定方式的信息。

如果變壓器結(jié)構(gòu)和限流點設(shè)定方式正確,您需要重新設(shè)計變壓器,以減小磁芯的磁通密度。您可以通過為變壓器添加額外線圈或減小初級電感LP所容許的生產(chǎn)容差來實現(xiàn)這一點。在PI Expert設(shè)計中增加線圈數(shù)時,可增加次級繞組圈數(shù)NS,軟件將會按比例相應(yīng)增加初級繞組圈數(shù)NP。您也可以通過調(diào)節(jié)KP值來減小磁通密度。如果初級限流點可設(shè)定且遠高于您的功率級要求,那么降低限流點也會造成磁通量增大。在特殊情況下,您也能需要通過增大磁芯尺寸來減小磁通密度。您需要不斷調(diào)整設(shè)計,直至最大磁通密度(BM)和峰值磁通密度(BP)都遠低于PI Expert所指定的限值。請注意,優(yōu)化后的PI Expert設(shè)計應(yīng)始終能把磁通密度限制到可接受的水平。在手動調(diào)整設(shè)計時,如果所作的某個修改可使磁通密度驟然增大,PI Expert將會向您發(fā)出警告消息,提醒這一危險狀況。

變壓器磁芯過熱時,也會造成變壓器飽和。發(fā)現(xiàn)飽和問題后,應(yīng)檢驗變壓器是否在適當?shù)臏囟认拗祪?nèi)進行工作。必要時,請重新設(shè)計變壓器,以降低磁芯和繞組損耗,并降低其工作溫度。在啟動測試期間,可能會抓取到短脈沖,如上圖所示。這些脈沖都是正常的,是由低輸出電壓下變壓器復(fù)位不足造成的。

第16章: 變壓器初級電感量

現(xiàn)在切斷AC輸入,將高壓示波器探針連接到輸入大容量電容的端子。然后,向電源施加最小的AC輸入電壓,將輸出負載增至滿載。設(shè)定示波器,將高壓探頭連接在輸入大容量電解電容兩端,從而測量到DC總線電壓,同時測量漏極開關(guān)電流波形。


利用示波器測量大部分線性斜升過程中的漏極電流的di/dt比值。這部分通常處于流限的25%到75%之間。此外,還應(yīng)在用來測量電流變化的時間間隔內(nèi),同時測量平均DC總線電壓。利用這兩個測量結(jié)果,您可以根據(jù)電感的基本關(guān)系式計算出變壓器初級電感量的近似值:V = L Δi/Δt

MOSFET導(dǎo)通后,變壓器初級側(cè)的電壓將近似等于平均DC總線電壓。電感中的電流等于漏感電流。調(diào)整該公式后,我們可以計算出L值:L = V Δt/Δi

將計算得出的值與PI Expert中的指定值進行比較。如果計算值超出給定的容差范圍,則需聯(lián)系變壓器制造商以解決這一問題。

第17章:初始電流尖峰

接下來,檢查在MOSFET導(dǎo)通后隨即出現(xiàn)的高初始電流。切斷交流電源供應(yīng)器,將高壓示波器探針重新連接到MOSFET兩端,測量漏極開關(guān)電壓。然后,施加指定的最大AC輸入電壓,并將電源負載增至滿載。設(shè)定示波器,以便同時顯示MOSFET電壓和電流,并在漏極電壓的上升沿觸發(fā)。調(diào)寬時基范圍,以便監(jiān)測一個完整的開關(guān)周期。前沿消隱功能,在MOSFET導(dǎo)通后立即將流限傳感器禁止一段時間。這樣可防止初始電流尖峰觸發(fā)流限,使其提前結(jié)束電流脈沖。不過,如果導(dǎo)通尖峰大于正常值,還是會觸發(fā)器件的初始流限,并使傳輸?shù)捷敵龅墓β适艿较拗?。PI前沿消隱功能

在指定的最低輸入電壓下重復(fù)此測量。如果電源設(shè)計為在低壓下以連續(xù)導(dǎo)通模式工作,則初始電流基值將會增大初始電流尖峰。

第18章:偏置繞組電壓

如果您在設(shè)計中采用了偏置繞組,則需關(guān)斷AC輸入并連接一個示波器電壓探針,然后進行設(shè)置,測量偏置繞組輸出濾波電容上的DC電壓。必要時,可將兩個短接導(dǎo)線焊接到電路板背面,用作測試點。然后,施加最小的AC輸入電壓,并移除電源輸出上的所有負載。

通過示波器測量并記錄偏置繞組電容在整個周期內(nèi)的最低電壓。如果測量的最低偏置繞組電壓低于8 V,則可導(dǎo)致您的電源出現(xiàn)穩(wěn)壓問題。要解決此問題,您需要增加偏置繞組的圈數(shù)以增大電壓。我們建議您在重新檢測原型設(shè)計的電壓之前,每次只添加一個線圈。添加過多線圈將導(dǎo)致偏置繞組電壓大幅升高,從而加大設(shè)計的空載功耗。建議空載時的最低偏置繞組電壓應(yīng)大于8 V,但小于約9 V。在有些設(shè)計中,增大偏置繞組濾波電容的值可提供足夠的維持時間,使最低偏置繞組電壓升至8 V以上。

第19章:輸出二極管反向峰值電壓(PIV)

接下來,檢測輸出二極管的PIV。首先,關(guān)斷AC輸入,并斷開電路板上的所有示波器探針。然后,在待測量的輸出二極管上連接一個低壓探針,如下圖所示,將接地線夾和探針尖分別連接到陰極和陽極。另外,我們還插入了一個電流探針,與輸出二極管串聯(lián),用于查看二極管電流。不過,您在測量時并不一定要這樣做。

施加最大的AC輸入電壓,并將電源負載增至滿載。觀察示波器上顯示的DC電壓時,您將發(fā)現(xiàn):在二極管導(dǎo)通時二極管上的電壓接近零值,二極管關(guān)斷時電壓迅速回復(fù)為負值。該負電壓即為逆向電壓。在任何測量點測量二極管出現(xiàn)的最高負電壓,然后將該測量值與二極管的PIV額定值進行比較。如果測量值等于或大于二極管額定值,那么該二極管將在尚未達到預(yù)期的元件壽命之前就會失效。

為提高元件的現(xiàn)場可靠性,Power Integrations建議在PIV測量值與二極管額定值之間維持20%的裕量。如果您的二極管不符合這些要求,請換用PIV額定值更大的二極管,或者對二極管緩沖電路進行優(yōu)化。

第20章:滿載效率

接下來,測量并記錄電源在最低和最高AC輸入電壓下的滿載效率。如果滿載效率比PI Expert預(yù)測值低出5%或更多,則需要解決此問題。

第21章:元件溫度

測量設(shè)計中關(guān)鍵元件的溫度,其中包括二極管、電解電容、共模扼流圈、變壓器磁芯、繞組以及Power Integrations器件。執(zhí)行這些測量應(yīng)滿足以下條件:電源滿載,且電源已在室溫下工作大約20分鐘。分別測量最小和最大AC輸入電壓下的溫度。不過,溫度通常在低壓時最高。

不斷增大所測室溫的溫度到指定的最高環(huán)境溫度,以接近最差條件的環(huán)境溫度。將這些估計溫度與元件數(shù)據(jù)手冊中的最大工作溫度進行比較。在進行比較時,確保將您設(shè)計中的任何降額要求納入考量。

您可以降低元件額定溫度,以滿足特定安全要求或延長元件使用壽命。例如,電解電容的允許工作溫度與元件的預(yù)期使用壽命成函數(shù)關(guān)系。一個額定溫度105℃、額定使用壽命2,000小時的電容,在70℃下連續(xù)工作時,其預(yù)期使用壽命可達到約20,000小時。為便于參考,這里提供了部分主要元件的溫度降額值。如果發(fā)現(xiàn)某個元件或PCB變色,或是某個元件冒煙,請立即關(guān)斷AC輸入并解決這一問題。

第22章:輸出電壓紋波

現(xiàn)在,測量輸出電壓紋波,確定它處在設(shè)計指定的限值范圍內(nèi)。如果超出指定范圍,或發(fā)現(xiàn)輸出有明顯的振蕩,請參照PI University的故障診斷課程解決這一問題。

第23章:以最終負載啟動

最后,關(guān)斷AC輸入,將電子負載從電源輸出移除,然后連接實際負載。將一個萬用表連接到電源的輸出端,監(jiān)測輸出電壓。將交流電源供應(yīng)器設(shè)定為電源的最大AC電壓,并裝上電源。檢驗電源能否在為實際負載供電的情況下啟動并達到穩(wěn)壓。

將AC電壓設(shè)定為最小限值,重復(fù)此測試。如果電源在連接實際負載的情況下無法啟動,您需要觀看PI大學(xué)故障診斷課程“修復(fù)輸出無法達到穩(wěn)壓的反激式電源”排查問題。

第24章:為最終負載供電

如果您的負載具有不同的工作模式,請務(wù)必循環(huán)測試所有模式,確保電源永遠不會進入自動重啟動模式。如果進入的話,說明您的負載所吸收的功率大于電源的額定輸出功率。此時,您需要認真分析負載特性,然后重新設(shè)計電源。





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