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1、2008 2009 學(xué)年第 二 學(xué)期畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題 直流開關(guān)穩(wěn)壓電源 姓名 系部 電子與計(jì)算機(jī)系 專業(yè) 應(yīng)用電子 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 摘要穩(wěn)壓電源就是其輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定,它與人們的日常生活密切相關(guān) , 也稱為穩(wěn)定電源、穩(wěn)壓器等。隨著電子技術(shù)發(fā)展,電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,電子設(shè)備的種類也越來越多,對(duì)穩(wěn)壓電源的要求更加靈活多樣。電子設(shè)備的小型化和低成本化,使穩(wěn)壓電源朝輕、薄、小和高效率的方向發(fā)展。設(shè)計(jì)上,穩(wěn)壓電源也從傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源向高效率、體積小、重量輕的開關(guān)型穩(wěn)壓電源迅速發(fā)展。本文中設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源電路采用脈沖寬度調(diào)制型(pwm)即開關(guān)工作頻率保持不變,控制導(dǎo)通脈沖
2、的寬度;開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài),可以通過改變調(diào)整管導(dǎo)通與截止時(shí)間的比例來改變輸出電壓的大小。當(dāng)調(diào)整管飽和導(dǎo)通時(shí),雖然流過較大的電流,但飽和管壓降很??;當(dāng)調(diào)整管截止時(shí),管子將承受較高的電壓,但流過的電流基本等于零??梢姡ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)調(diào)整管的功耗很小,因此,開關(guān)型穩(wěn)壓電路的效率較高,一般課達(dá)65%-90%。同時(shí)本文還采用恒壓差控制,其中接有軟啟動(dòng)電路,在開關(guān)機(jī)時(shí),對(duì)產(chǎn)生過沖現(xiàn)象有相當(dāng)大程度的抑制。同時(shí)通過控制dc-dc變換的脈寬,可實(shí)現(xiàn)過熱、過流保護(hù)。關(guān)鍵詞: 脈寬調(diào)制 開關(guān)管 濾波電容 目錄摘要i第一章 穩(wěn)壓電源11.1 穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介11.2 穩(wěn)壓電源技術(shù)的亮點(diǎn)1第二章 直流穩(wěn)
3、壓電源的分類42.1 線性穩(wěn)壓電源42.2 開關(guān)型穩(wěn)壓電源5第三章 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)83.1 整流電路83.1.1 半波整流電路83.1.2 全波整流電路83.1.3 橋式整流93.2 濾波電路93.2.1 電容濾波電路93.2.2 電感濾波電路113.3 控制電路設(shè)計(jì)113.3.1 主要特征及工作原理113.3.2 tl494的性能測(cè)試143.3.3 tl494管腳配置及其功能153.3.4 tl494的應(yīng)用15第四章 直流穩(wěn)壓電源的保護(hù)技術(shù)174.1 極性保護(hù)174.2 程序保護(hù)174.3 過電流保護(hù)184.4 過電壓保護(hù)19第五章 穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)225.1 特性指標(biāo)225.2 質(zhì)
4、量指標(biāo)22第六章 恒壓差控制236.1 同步跟蹤法的機(jī)理236.2 參數(shù)計(jì)算23總結(jié)25參考文獻(xiàn)26第一章 穩(wěn)壓電源1.1 穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介穩(wěn)壓電源問世后,在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源,其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿,但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)的發(fā)展,pwm開關(guān)電源問世,它的特點(diǎn)是用20khz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制,電源的效率可達(dá)65%70%,而線性電源的效率只有3040。因此,用工作頻率為20khz的pwm開關(guān)電源替代線性電源,可大幅度節(jié)約能源,從而引起了人們的廣泛關(guān)注,在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20khz革命。隨著超大規(guī)模集
5、成芯片尺寸的不斷減小,電源的尺寸與微處理器相比要大得多;而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此,對(duì)開關(guān)電源提出了小型輕量要求,包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外,還要求開關(guān)電源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。這一切高新要求便促進(jìn)了開關(guān)穩(wěn)壓電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步。1.2 穩(wěn)壓電源技術(shù)的亮點(diǎn)(1)穩(wěn)壓電源功率密度提高開關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷追求的目標(biāo)。這對(duì)便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話,數(shù)字相機(jī)等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有以下幾種。一是高頻化。為了實(shí)現(xiàn)電源高功率密度,必須提高pwm
6、變換器的工作頻率、從而減小電路中儲(chǔ)能元件的體積重量。二是應(yīng)用壓電變壓器。應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。三是采用新型電容器。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量,須設(shè)法改進(jìn)電容器的性能,提高能量密度,并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(esr)小、體積小等。(2)高頻磁性元件電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究。對(duì)高頻磁元件所
7、用的磁性材料,要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級(jí)頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用。(3)軟開關(guān)技術(shù)高頻化以后,為了提高開關(guān)電源的效率,必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。它是過去幾十年國(guó)際電源界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。pwm開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作(開關(guān)過程中電壓下降上升和電流上升下降波形有交疊),因而開關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量,但開關(guān)損耗卻更大了。為此,必須研究開關(guān)電壓電流波形不交疊的技術(shù),即所謂零電壓開關(guān)(zvs)零電流開關(guān)(zcs)技術(shù),或稱軟開關(guān)技術(shù),小功率軟開關(guān)電源效率可提高到800%85%。上世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟
8、開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn),如準(zhǔn)諧振全橋移相zvs -pwm,恒頻zvs-pwmzcs-pwmzvs-pwm有源嵌位;zvt-pwmzct-pwm全橋移相zv-zcs-pwm等。我國(guó)已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kw通信電源中,效率達(dá)93。(4)同步整流技術(shù)對(duì)于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流(sr)技術(shù),即以功率mos管反接作為整流用開關(guān)二極管,代替肖特基二極管(sbd),可降低管壓降,從而提高電路效率。(5)功率因數(shù)校正(pfc)變換器由于acdc變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容,在正 弦電壓輸入時(shí),單相整流電源供電的電子設(shè)備,電網(wǎng)側(cè)(交
9、流輸入端)功率因數(shù)僅為0.60.65。采用功率因數(shù)校正(pfc)變換器,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.900.95,輸入電流thd10。既治理了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正(apfc),單相apfc國(guó)內(nèi)外開發(fā)較早,技術(shù)已較成熟;三相apfc的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗噪m然已經(jīng)有很多種,但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。高功率因數(shù)acdc開關(guān)電源,由兩級(jí)拓?fù)浣M成,對(duì)于小功率acdc開關(guān)電源來說,采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí),將pfc變換器和后級(jí)dcdc變換器組合成一個(gè)拓?fù)?,?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)acdc開關(guān)電源,只用一個(gè)主開關(guān)管,可使功率因數(shù)
10、校正到0.8 以上,并使輸出直流電壓可調(diào),這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)pfc變換器。(6)全數(shù)字化控制電源的控制已經(jīng)由模擬控制,模數(shù)混合控制,進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢(shì),已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。全數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量,芯片價(jià)格也更低廉;對(duì)電流檢測(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正,電壓檢測(cè)也更精確;可以實(shí)現(xiàn)快速,靈活的控制設(shè)計(jì)。(7)電磁兼容性高頻開關(guān)電源的電磁兼容(emc)問題有其特殊性。功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的didt和dvdt,將引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾,以及強(qiáng)電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境,對(duì)附近
11、的電氣設(shè)備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全。同時(shí),電力電子電路(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的emi及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。上述特殊性,再加上emi測(cè)量上的具體困難,在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里,存在著許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究,并取得了不少可喜成果。(8)設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)建模、仿真和cad是一種新的設(shè)計(jì)研究工具。為了仿真電源系統(tǒng),首先要建立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等,還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和emc模型。各種模型差別很
12、大,建模的發(fā)展方向是數(shù)字一模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個(gè)統(tǒng)一的多層次模型等。電源系統(tǒng)的cad,包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、emi設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的cad,可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu),減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用,并能做可制造性分析,是21世紀(jì)仿真和cad技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外,電源系統(tǒng)的熱測(cè)試、emi測(cè)試、可靠性測(cè)試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。第二章 直流穩(wěn)壓電源的分類直流穩(wěn)壓電源主要有線性電源、相控電源、開關(guān)電源三種。交流電經(jīng)過整流,可以得到直流電。但是,由于
13、交流電壓及負(fù)載電流的變化,整流后得到的直流電壓通常會(huì)造成20%到40%的電壓變化。為了得到穩(wěn)定的直流電壓,必須采用穩(wěn)壓電路來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。按照實(shí)現(xiàn)方法的不同,穩(wěn)壓電源可分為三種:線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源。2.1 線性穩(wěn)壓電源 線性穩(wěn)壓電源通常包括:調(diào)整管、比較放大部分(誤差放大器)、反饋采樣部分以及基準(zhǔn)電壓部分,它的典型原理框圖如圖1所示。調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)分壓(分擔(dān)輸入電壓ui),因此只要將它們之間的分壓比隨時(shí)調(diào)節(jié)到適當(dāng)值,就能保證輸出電壓不變。這個(gè)調(diào)節(jié)過程是通過一個(gè)反饋控制過程來實(shí)現(xiàn)的。反饋采樣部分監(jiān)測(cè)輸出電壓,然后通過比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較判斷:輸出電壓是偏高了還是偏低了,偏差多少?再
14、把這個(gè)偏差量放大去控制調(diào)整管,如果輸出電壓偏高,則將調(diào)整管上的壓降調(diào)高,使負(fù)載的分壓減?。蝗绻敵鲭妷浩?,則將調(diào)整管上的壓降調(diào)低,使負(fù)載的分壓增大,從而實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。圖1 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理框圖下圖2為用分立元件組成簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器電路線性穩(wěn)壓電源的線路簡(jiǎn)單、干擾小,對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化的響應(yīng)非???,穩(wěn)壓性能非常好。但是,線性穩(wěn)壓電源功率調(diào)整管始終工作在線性放大區(qū),調(diào)整管上功率損耗很大,導(dǎo)致線性穩(wěn)壓電源效率較低,只有20%40%,發(fā)熱損耗嚴(yán)重,所需的散熱器體積大,重量重,因而功率體積系數(shù)只有2030w/dm3;另外線性電源對(duì)電網(wǎng)電壓大范圍變化的適應(yīng)性較差,輸出電壓保持時(shí)間僅有5ms。因此線
15、性電源主要用在小功率、對(duì)穩(wěn)壓精度要求很高的場(chǎng)合,如:一些為通信設(shè)備內(nèi)部的集成電路供電的輔助電源等。圖2 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源2.2 開關(guān)型穩(wěn)壓電源 線性穩(wěn)壓電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常快,穩(wěn)壓性能好,只可惜功率轉(zhuǎn)換效率太低。要提高效率,就必須使圖2中的功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀態(tài),電路相應(yīng)地稍加變化即成為開關(guān)型穩(wěn)壓電源。轉(zhuǎn)變后的原理框圖如圖3所示。調(diào)整管作為開關(guān)而言,導(dǎo)通時(shí)(壓降小)幾乎不消耗能量,關(guān)斷時(shí)漏電流很小,也幾乎不消耗能量,從而大大提高了轉(zhuǎn)換效率,其功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上。在圖3中,波動(dòng)的直流電壓ui輸入高頻變換器(即為開關(guān)管q和二極管d),經(jīng)高頻變換器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l(20khz)脈沖方波電壓,該
16、脈沖方波電壓通過濾波器(電感l(wèi)和電容c)變成平滑的直流電壓供給負(fù)載。高頻變換器和輸出濾波器一起構(gòu)成主回路,完成能量處理任務(wù)。而穩(wěn)定輸出電壓的任務(wù)是靠控制回路對(duì)主回路的控制作用來實(shí)現(xiàn)的??刂苹芈钒ú蓸硬糠帧⒒鶞?zhǔn)電壓部分、比較放大器(誤差放大器)、脈沖/電壓轉(zhuǎn)換器等。開關(guān)電源穩(wěn)定輸出電壓的原理可以直觀理解為是通過控制濾波電容的充、放電時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。具體的穩(wěn)壓過程如下:當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓電源的負(fù)載電流增大或輸入電壓ui降低時(shí),輸出電壓uo輕微下降,控制回路就使高頻變換器輸出的脈沖方波的寬度變寬,即給電容多充點(diǎn)電(充電時(shí)間加長(zhǎng)),少放點(diǎn)電(放電時(shí)間減短),從而使電容c上的電壓(即輸出電壓)回升,起到穩(wěn)定輸出
17、電壓的作用。反之,當(dāng)外界因素引起輸出電壓偏高時(shí),控制電路使高頻變換器輸出脈沖方波的寬度變窄,即給電容少充點(diǎn)電,從而使電容c上的電壓回落,穩(wěn)定輸出電壓。圖3降壓型開關(guān)電源原理圖開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的主要性能比較 表1項(xiàng)目開關(guān)穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源功率轉(zhuǎn)換效率65%95%20%40%發(fā)熱(損耗)小大體積小大功率體積系數(shù)60100w/dm32030w/dm3重量輕重功率重量系數(shù)60150w/kg2230w/kg對(duì)電網(wǎng)變化的適應(yīng)性強(qiáng)弱輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)(20ms)短(5ms)電路復(fù)雜簡(jiǎn)單射頻干擾和電磁干擾(rfi和emi)大小紋波大(10mv)p-p?。?mv)p-p動(dòng)態(tài)響應(yīng)稍差(2ms)好(10
18、0ls)電壓、負(fù)載穩(wěn)定度高低開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比,功率轉(zhuǎn)換效率高,可達(dá)65%90%,發(fā)熱少,體積小、重量輕,功率體積系數(shù)可達(dá)60100w/dm3,對(duì)電網(wǎng)電壓大范圍變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,電壓、負(fù)載穩(wěn)定度高,輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20ms。但是線路復(fù)雜,電磁干擾和射頻干擾大。具體性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。和相控穩(wěn)壓電源相比,開關(guān)電源不需要工頻變壓器,工作頻率高,所需的濾波電容、電感小,因而體積小,重量輕,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。開關(guān)電源的開關(guān)頻率都在20khz以上,超出人耳的聽覺范圍,沒有令人心煩的噪聲。開關(guān)電源可以采用有效的功率因數(shù)較正技術(shù),使功率因數(shù)達(dá)0.9以上,高的甚至達(dá)到0.99(安圣的hd
19、4850整流模塊)。這些使得開關(guān)電源的性能幾乎全面超過相控電源,在通信電源領(lǐng)域已大量取代相控電源。開關(guān)電源的線路復(fù)雜,這種電路問世之初,其控制線路都是由分立元件或運(yùn)算放大器等集成電路組成。由于元件多,線路復(fù)雜以及隨之而來的可靠性差的原因,嚴(yán)重影響了開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源的發(fā)展依賴于元器件和磁性材料的發(fā)展。70年代后期,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度發(fā)展,高反壓快速功率開關(guān)管使無工頻變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源迅速實(shí)用化。而集成電路的迅速發(fā)展為開關(guān)穩(wěn)壓電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)。陸續(xù)涌現(xiàn)出的開關(guān)穩(wěn)壓電源專用的脈沖調(diào)制電路如sg3526和tl494等為開關(guān)穩(wěn)壓電源提供了成本低、性能優(yōu)良可靠、使用方便的集成
20、控制電路芯片,從而使得開關(guān)電源的電路由復(fù)雜變?yōu)楹?jiǎn)單。目前,開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出紋波已可達(dá)100mv以下,射頻干擾和電磁干擾也被抑制到很低的水平上??傊?,隨著電技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)正逐步被克服,其優(yōu)點(diǎn)也得以充分發(fā)揮。尤其在當(dāng)前能源比較緊張的情況下,開關(guān)穩(wěn)壓電源的高效率能夠在節(jié)能上做出很大的貢獻(xiàn)。正因?yàn)殚_關(guān)電源具有這些優(yōu)點(diǎn),它得到了蓬勃的發(fā)展。第三章 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)3.1 整流電路3.1.1 半波整流電路半波整流就是利用二極管的單向?qū)щ娦阅?,使?jīng)變壓器出來的電壓vo只有半個(gè)周期可以到達(dá)負(fù)載,造成負(fù)載電壓vl是單方向的脈動(dòng)直流電壓。圖4主要參數(shù): 3.1.2 全波整流電路利用副邊有中心抽頭
21、的變壓器和兩個(gè)二極管構(gòu)成如圖5所示的全波整流電路。從圖中可見,正負(fù)半周都有電流流過負(fù)載,提高了整流效率。圖5全波整流的特點(diǎn):輸出電壓vo高;脈動(dòng)??;正負(fù)半周都有電流供給負(fù)載,因而變壓器得到充分利用,效率較高。主要參數(shù):3.1.3 橋式整流圖6橋式整流屬于全波整流,它不是利用副邊帶有中心抽頭的變壓器,而是用四個(gè)二極管接成電橋形式,使在電壓v2的正負(fù)半周均有電流流過負(fù)載,在負(fù)載形成單方向的全波脈動(dòng)電壓。主要參數(shù):3.2 濾波電路從上面的分析可以看出,整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分,與所要求的波形相去甚遠(yuǎn)。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波,電感濾波和
22、rc濾波等。3.2.1 電容濾波電路圖7圖7分別是橋式整流電容濾波電路和它的部分波形。這里假設(shè)t0時(shí),電容器c已經(jīng)充電到交流電壓v2的最大值(如波形圖所示)。結(jié)論1:由于電容的儲(chǔ)能作用,使得輸出波形比較平滑,脈動(dòng)成分降低輸出電壓的平均值增大。當(dāng)rlc的值適當(dāng),且整流電路的內(nèi)阻較?。◣讱W)時(shí),圖8結(jié)論2:從圖8可看出,濾波電路中二極管的導(dǎo)電角小于180o,導(dǎo)電時(shí)間縮短。因此,在短暫的導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)流過二極管很大的沖擊電流,必須選擇較大容量的二極管。在純電阻負(fù)載時(shí):有電容濾波時(shí):結(jié)論3:電容放電的時(shí)間=rlc越大,放電過程越慢,輸出電壓中脈動(dòng)(紋波)成分越少,濾波效果越好。一般?。?5)t/2,t為電
23、源交流電壓的周期。3.2.2 電感濾波電路電感濾波電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點(diǎn),把電感器與負(fù)載串聯(lián)起來,以達(dá)到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點(diǎn)看,當(dāng)電源提供的電流增大(由電源電壓增加引起)時(shí),電感器l把能量存儲(chǔ)起來;而當(dāng)電流減小時(shí),又把能量釋放出來,使負(fù)載電流平滑,所以電感l(wèi)有平波作用。 圖9 圖10優(yōu)點(diǎn):整流二極管的導(dǎo)電角大,峰值電流小,輸出特性較平坦。缺點(diǎn):存在鐵心,笨重、體積大,易引起電磁干擾,一般只適應(yīng)于低電壓、大電流的場(chǎng)合。3.3 控制電路設(shè)計(jì)tl494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路,它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能,廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。tl4
24、94有so-16和pdip-16兩種封裝形式,以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。其主要特性如下:3.3.1 主要特征及工作原理特征:(1)集成了全部的脈寬調(diào)制電路。(2)片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器,外置振蕩元件僅兩個(gè)(一個(gè)電阻和一個(gè)電容)。(3)內(nèi)置誤差放大器。(4)內(nèi)止5v參考基準(zhǔn)電壓源。(5)可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。(6)內(nèi)置功率晶體管可提供500ma的驅(qū)動(dòng)能力。(7)推或拉兩種輸出方式。工作原理簡(jiǎn)述tl494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路,內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器,振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié),其振蕩頻率如下:輸出脈沖的寬度是通過電容ct上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功
25、率輸出管q1和q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通,即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大,輸出脈沖的寬度將減小。參見圖11??刂菩盘?hào)由集成電路外部輸入,一路送至死區(qū)時(shí)間比較器,一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mv的輸入補(bǔ)償電壓,它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%,當(dāng)輸出端接地,最大輸出占空比為96%,而輸出端接參考電平時(shí),占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓(范圍在03.3v之間)即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。圖11脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段:當(dāng)反饋電壓從0.5v
26、變化到3.5時(shí),輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3v到(vcc-2.0)的共模輸入范圍,這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平,它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算,正是這種電路結(jié)構(gòu),放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。圖12當(dāng)比較器ct放電,一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端,受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí),同時(shí)停止輸出管q1和q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源,那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管,輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài),且最大占空比小于50%時(shí),輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶
27、體管q1或q2取得。輸出變壓器一個(gè)反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下,當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出,亦可將q1和q2并聯(lián)使用,這時(shí),需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下,輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。tl494內(nèi)置一個(gè)5.0v的基準(zhǔn)電壓源,使用外置偏置電路時(shí),可提供高達(dá)10ma的負(fù)載電流,在典型的070溫度范圍50mv溫漂條件下,該基準(zhǔn)電壓源能提供5%的精確度。圖13tl494的極限參數(shù)名稱代號(hào)極限值單位工作電壓vcc42v集電極輸出電壓vc1,vc242v集電極輸出電流ic1,ic2500ma放大器輸入電壓范圍vir-0.3v+42v功耗pd1000mw熱阻rja8
28、0/w工作結(jié)溫tj125工作環(huán)境溫度tl494btl494ctl494incv494bta-40+1250+70-40+85-40+125額定環(huán)境溫度ta403.3.2 tl494的性能測(cè)試(1)工作電壓對(duì)各參數(shù)的影響,如表2所示。此時(shí)調(diào)頻電容為9nf,調(diào)頻電阻為9k,調(diào)寬電壓為25v。表2 工作電壓與各參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系從表2可以看出,工作電壓v的改變對(duì)輸出脈沖的周期t及脈寬t1無影響,而脈沖的幅值f隨著工作電壓v的增加也逐步增大,工作電流i隨電壓的變化不是很大,其供電范圍在740v之間,而其工作頻率可達(dá)300khz,可見tl494的可調(diào)性大。(2)當(dāng)tl494調(diào)頻電容和電阻一定時(shí),改變脈沖寬度
29、,就會(huì)得到輸出脈沖寬度不同的一系列脈沖,這樣就會(huì)得到調(diào)寬電壓與占空比的關(guān)系,如圖14所示。從圖14可以看出,當(dāng)脈寬為周期的1/2時(shí),效果最佳。圖14 脈寬電壓與占空比關(guān)系圖3.3.3 tl494管腳配置及其功能tl494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖15是它的管腳圖,其中1、2腳是誤差放大器i的同相和反相輸入端;3腳是相位校正和增益控制;4腳為間歇期調(diào)理,其上加03.3v電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線懷變化到100%;5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容;7腳為接地端;8、9腳和11、10腳分別為tl494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)
30、輸出三極管集電極和發(fā)射極; 圖15 tl494管腳圖12腳為電源供電端;13腳為輸出控制端,該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式,接14腳時(shí)為推挽輸出方式;14腳為5v基準(zhǔn)電壓輸出端,最大輸出電流10ma;15、16腳是誤差放大器ii的反相和同相輸入端。3.3.4 tl494的應(yīng)用tl494脈寬調(diào)制器件是目前微機(jī)電源中被廣泛采用來構(gòu)成其他激式直流開關(guān)電源的專用器件。在顯示電源和其他開關(guān)電源的應(yīng)用中也常被采用。在大功率直流開關(guān)電源中,為提高直流電源調(diào)整精度及易于完成各種自動(dòng)保護(hù)控制功能,是直流開關(guān)電源中常用的脈寬調(diào)制器件,而且價(jià)格便宜。下面介紹一個(gè)tl494的應(yīng)用電路。圖16 降壓型直流穩(wěn)壓電源電路圖第
31、四章 直流穩(wěn)壓電源的保護(hù)技術(shù)直流穩(wěn)壓器中所使用的大功率開關(guān)器件價(jià)格較貴,其控制電路亦比較復(fù)雜,另外,開關(guān)穩(wěn)壓器的負(fù)載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子系統(tǒng)。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因而開關(guān)穩(wěn)壓器的保護(hù)應(yīng)該兼顧穩(wěn)壓器本身和負(fù)載的安全。保護(hù)電路的種類很多,這里介紹極性保護(hù)、程序保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)等電路。通常選用幾種保護(hù)方式加以組合,構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)。4.1 極性保護(hù)直流開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會(huì)將其極性接錯(cuò),將損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源。極性保護(hù)的目的,就是使開關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時(shí)才能工作。
32、利用單向?qū)ǖ钠骷梢詫?shí)現(xiàn)電源的極性保護(hù)。最簡(jiǎn)單的極性保護(hù)電路如圖17所示。由于二極管d要流過開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應(yīng)用在小功率的開關(guān)穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場(chǎng)合,則把極性保護(hù)電路作為程序保護(hù)中的一個(gè)環(huán)節(jié),可以省去極性保護(hù)所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便于識(shí)別極性正確與否,在圖17中的二極管之后,接指示燈。圖17 簡(jiǎn)單的極性保護(hù)4.2 程序保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜,基本上可以分為小功率的控制部分和大功率的開關(guān)部分。開關(guān)晶體管則屬大功率,為保護(hù)開關(guān)晶體管在開啟或關(guān)斷電源時(shí)的安全,必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機(jī)程序。
33、開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機(jī)瞬間,濾波電容器會(huì)流過很大的浪涌電流,這個(gè)浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流會(huì)使普通電源開關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔化,并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷。另外,浪涌電流也會(huì)損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻,通過這個(gè)限流電阻來對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率,以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機(jī)暫態(tài)過程結(jié)束后,用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接它,使直流電源直接對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器供電,如圖18所示。這種電路稱之謂開關(guān)穩(wěn)壓器的“軟啟動(dòng)”電路。圖18 軟啟動(dòng)電路開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路中的邏輯組件或者運(yùn)算放大器需
34、用輔助電源供電。為此,輔助電源必須先于開關(guān)電路工作,這可用開機(jī)程序控制電路來保證。一般的開機(jī)程序是:輸入電源的極性鑒別,電壓保護(hù)開機(jī)程序電路工作輔助電源工作并通過限流電阻 r對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電容器c充電 開關(guān)穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作,短路限流電阻開關(guān)穩(wěn)壓器 穩(wěn)定工作。在開關(guān)穩(wěn)壓器中,剛開機(jī)時(shí),因?yàn)槠漭敵鲭娙萑萘看?充到額定輸出電壓值需要一定時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi),取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣,根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)特性將迫使開關(guān)三極管的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng),這樣一來,開關(guān)三極管就會(huì)在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導(dǎo)通,而容易損壞。為此,要求在開機(jī)這一段時(shí)間內(nèi),開關(guān)調(diào)制電路輸出給開關(guān)三極管基極的脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào),能保證開關(guān)三
35、極管由截止逐漸趨于正常的開關(guān)狀態(tài),故而要加設(shè)開機(jī)保護(hù)以配合軟啟動(dòng)。 4.3 過電流保護(hù)當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時(shí),會(huì)引起流過穩(wěn)壓器中開關(guān)三極管的電流過大,使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過流保護(hù)裝置,大功率開關(guān)三極管就有可能損壞。故而在開關(guān)穩(wěn)壓器中過電流保護(hù)是常用的。最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法是用保險(xiǎn)絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險(xiǎn)絲一般不能起到保護(hù)作用,常用的是快速熔斷保險(xiǎn)絲。這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn),但是,需要根據(jù)具體開關(guān)三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險(xiǎn)絲的規(guī)格。這種過流保護(hù)措施的缺點(diǎn)是帶來經(jīng)常更換保險(xiǎn)絲的不便。在線性穩(wěn)壓器中常用限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓器中均能應(yīng)用。但
36、是,根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特點(diǎn),這種保護(hù)電路的輸出不能直接控制開關(guān)三極管,而必須使過電流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護(hù)開關(guān)三極管。為了實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中,這會(huì)影響電源的效率,因此多用于小功率開關(guān)穩(wěn)壓器的場(chǎng)合。而在大功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源中,考慮到功耗,應(yīng)盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為過、欠電壓保護(hù)。 4.4 過電壓保護(hù) 開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護(hù)包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高,使開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護(hù)電路。用晶體管和繼電器所組
37、成的保護(hù)電路如圖19所示。圖19 輸入過電壓保護(hù)圖20 輸入過電壓保護(hù)在該電路中,當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí),穩(wěn)壓管擊穿,有電流流過電阻r, 使晶體管v導(dǎo)通,繼電器動(dòng)作,常閉接點(diǎn)斷開,切斷輸入。其中穩(wěn) 壓管的穩(wěn)壓值vz=esrmaxube。輸入 電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過電壓保護(hù)結(jié)合在一起,構(gòu)成極性 保護(hù)鑒別與過電壓保護(hù)電路。 輸出過電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對(duì)輸出為5v的開關(guān)穩(wěn)壓器來說,它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時(shí),開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)三極管突然損壞,輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電壓值,瞬時(shí)造成很大的損失。常用的方法是
38、晶閘管短路保護(hù)。最簡(jiǎn)單的過電壓保護(hù)電路如圖20所示。當(dāng)輸出電壓過高時(shí),穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,把輸出端短路,造成過電流,通過保險(xiǎn)絲或電路保護(hù)器將輸入切斷,保護(hù)了負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)于晶閘管的開通時(shí)間,約為510s。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓是固定的,溫度系數(shù)大,動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外,穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性,型號(hào)相同但過電壓起動(dòng)值卻各不相同,給調(diào)試帶來了困難。圖21是改進(jìn)后的電路。其中r1、r2是取樣電路,vz是基準(zhǔn)電壓。 圖 21 輸出過電壓保護(hù)輸出電壓esc突然升高,晶體管v1、v2導(dǎo)通,晶閘管就導(dǎo)通。ube1為v1的發(fā)射結(jié)(be)電壓降。本電路的動(dòng)作電壓可變,并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)
39、壓管為7v時(shí),其溫度系數(shù)和晶體管v1的發(fā)射結(jié)(be)電壓的溫度系數(shù)可以抵消,能使溫度系數(shù)降得很低。但是對(duì)于輸出為55.5v的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來說,其常用的動(dòng)作電壓是 5.56v。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5v以下,此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是2030mv/。因此,溫度變化大的場(chǎng)合保護(hù)電路還會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。采用集成電路電壓比較器來檢測(cè)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓,是目前較為常用的方法,利用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合,構(gòu)成過電壓保護(hù)電路,這種電路既靈敏又穩(wěn)定。以上分別討論了在開關(guān)穩(wěn)壓器中的各種保護(hù)方式,并介紹了一些具體實(shí)現(xiàn)的方法。對(duì)一個(gè)給定的開關(guān)穩(wěn)壓電源來說,還應(yīng)從整機(jī)保護(hù)方面考慮以下幾點(diǎn):
40、1)把開關(guān)穩(wěn)壓器中所應(yīng)用的開關(guān)三極管限制在直流安全工作區(qū)域之內(nèi)工作。對(duì)于選定的開關(guān)三極管,由晶體管手冊(cè)可查得其直流安全工作區(qū)。根據(jù)集電極電流的最大值來確定輸入過電流的保護(hù)值。但是,這個(gè)瞬時(shí)最大值應(yīng)轉(zhuǎn)換為電流的平均值。在額定輸出電流與輸出電壓的條件下,開關(guān)管的動(dòng)態(tài)負(fù)載線不超過直流安全工作區(qū)的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護(hù)的電壓值。2)把開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出限制在所給定的技術(shù)指標(biāo)之內(nèi)。在所要求的工作溫度范圍內(nèi),開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓的上、下限就是輸出過、欠電壓保護(hù)的電壓值。過電流保護(hù)則可根據(jù)最大輸出電流來確定。為了不誤告警,保護(hù)值應(yīng)適當(dāng)留一定的余量。3)由以上兩點(diǎn)確定保護(hù)方式之后,再根據(jù)電源裝置的需要
41、來確定告警措施。一般告警措施有聲警和光警兩種。聲警適用于整機(jī)比較復(fù)雜、電源部分又裝在不顯眼的地方,它可以給工作人員以有效的故障告警;光警可以醒目地指示故障告警并指出故障發(fā)生的部位和類型。保護(hù)措施要視所保護(hù)的部位來確定。在大功率,多路電源的場(chǎng)合,總是用交、直流斷路器,高靈敏繼電器等構(gòu)成自動(dòng)保護(hù)措施,切斷電源的輸入使系統(tǒng)停止工作,免受損害。通過邏輯控制電路使相應(yīng)的開關(guān)三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經(jīng)濟(jì)。這樣可以省去體積大,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),價(jià)格貴的大功率繼電器或斷路器。4)電源中加設(shè)了保護(hù)電路之后會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性,為此要求保護(hù)電路本身的可靠性要高,以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性,進(jìn)而提高電源本身的mtb
42、f。這就要求保護(hù)的邏輯嚴(yán)密,電路簡(jiǎn)單、元器件最少,除此而外還要考慮到保護(hù)電路本身出故障時(shí)維修難度和其所保護(hù)的電源損壞程度。所以必須全面系統(tǒng)地考慮開關(guān)電源各種保護(hù)措施,確保開關(guān)電源的正常工作和高效率與高可靠性。第五章 穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)是用來表示穩(wěn)壓電源性能的參數(shù),主要有以下兩種:5.1 特性指標(biāo)表明穩(wěn)壓電源工作特性的參數(shù)。例如:允許輸入的電壓,輸出電壓及可調(diào)范圍,輸出電流等。5.2 質(zhì)量指標(biāo)衡量穩(wěn)壓電源性能優(yōu)劣的參數(shù)。1穩(wěn)壓系數(shù)sr負(fù)載不變時(shí),穩(wěn)壓電路輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓相對(duì)變化量之比。即它表明穩(wěn)壓電源克服電網(wǎng)電壓變化的能力。2輸出電阻ro輸入電壓不變時(shí),輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。即它表明穩(wěn)壓電源克服負(fù)載電阻變化的能力。3電壓調(diào)整率額定負(fù)載不變時(shí),電網(wǎng)電壓變化10%,輸出電壓相對(duì)變化量。即4電流調(diào)整率電網(wǎng)電壓不變時(shí),輸出電流從零到最大值變化時(shí),輸出電壓的相對(duì)變化量。即一般常用穩(wěn)壓系數(shù)sr和輸出電阻ro這兩個(gè)主要指標(biāo)。其數(shù)值越小,電路穩(wěn)壓性能越好。第六章 恒壓差控制在dc-dc轉(zhuǎn)換電路和線性穩(wěn)壓電源之間采用恒壓差控制
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