智能總線式開(kāi)關(guān)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)——抗干擾性設(shè)計(jì)【文獻(xiàn)綜述】

1、文獻(xiàn)綜述電子信息工程智能總線式開(kāi)關(guān)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)抗干擾性設(shè)計(jì)1前言部分電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展一方面帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展。另一方面也給電源 產(chǎn)品提出了越來(lái)越高的要求。開(kāi)關(guān)電源具有線性電源無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：體積小、 重量輕、效率高等。但是，功率密度的增大和頻率的提高所產(chǎn)生的電磁干擾對(duì) 電源本身及周圍電子設(shè)備的正常工作都造成威脅。開(kāi)關(guān)變換器本身具有一定的開(kāi) 關(guān)噪聲.從而會(huì)從電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號(hào)。電磁干擾的產(chǎn)生是 山開(kāi)關(guān)電源本身的特點(diǎn)所決定的，是難以避免的。關(guān)鍵是如何釆取有效的措施來(lái) 減小其干擾程度。電源是電子設(shè)備的重要部件。隨著現(xiàn)代電子設(shè)備應(yīng)用范圉越來(lái) 越廣，對(duì)其電源的要求也越來(lái)越高。開(kāi)關(guān)

2、電源高頻化是發(fā)展的方向，高頻化使 開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域 的應(yīng)用.推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在 節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義.針對(duì)一些工作在惡劣環(huán) 境f如高壓、有毒氣體、粉塵等）下的電子設(shè)備對(duì)低紋波、輸出可調(diào)范圍寬的穩(wěn)壓 電源的需要，如果能夠?qū)崿F(xiàn)既可紅外遙控乂具有低紋波、輸出可調(diào)范圉寬等特點(diǎn) 的穩(wěn)壓電源，那么這種電源既可以保證人身安全。乂可大大提高工作效率:口。2主題部分開(kāi)關(guān)電源發(fā)展?fàn)顩r，主要表現(xiàn)在以下兒個(gè)方面。1. 高性能碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體器件可以預(yù)見(jiàn)，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)

3、用的新型功率半導(dǎo)體器件材料, 其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬，工作溫度高（可達(dá)600。C）,通態(tài)電阻小，導(dǎo)熱性能好， 漏電流極小，PN結(jié)耐壓高等等。2. 高頻開(kāi)關(guān)變換器中用了多種磁元件，有許多基本問(wèn)題要研究。（1）隨著開(kāi)關(guān)電源的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將 對(duì)某些電路性能（如開(kāi)關(guān)尖峰能量、噪聲水平等）產(chǎn)生重要影響。尤其是磁元件 的渦流、漏電感、繞組交流電阻Rae和分布電容等，在低頻和高頻下的表現(xiàn)有很 大不同。高頻磁技術(shù)理論作為學(xué)科前沿問(wèn)題，仍受到人們的廣泛重視，如：磁心 損耗的數(shù)學(xué)建模，磁滯回線的仿真建模，高頻磁元件的計(jì)算機(jī)仿真建模和CAD、 高頻變壓器一維和二維仿真模型等。有待研究的

4、問(wèn)題還有：高頻磁元件的設(shè)計(jì)決 定了高效率開(kāi)關(guān)電源的性能、損耗分布和波形等，人們希望給出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、方法、 磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路性能的依賴關(guān)系，明確設(shè)訃的自III度與約束條件等。（2）對(duì)高頻磁性材料有如下要求：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，如56Pm超薄鉆基非晶態(tài)磁帶，1MHz（Bm=O. IT）時(shí)，損耗僅為0. 7"lW/cm3,是MnZn高頻鐵氧體的1/31/4。納米結(jié) 晶軟磁薄膜也在研究。（3）研究將鐵氧體或其他薄膜材料高密度集成在硅片上?；蚬璨牧霞稍阼F氧 體上，是一種磁電混合集成技術(shù)。磁電混合集成還包括利用電感箔式繞組層間分 布電容

5、實(shí)現(xiàn)磁元件與電容混合集成等。3. 新型電容器研究開(kāi)發(fā)適合于功率電源系統(tǒng)用的新型電容器和超級(jí)大電容。要求電容量 大、等效電阻（ESR）小、體積小等。據(jù)報(bào)道，美國(guó)在20世紀(jì)90年代末，已開(kāi) 發(fā)出330PF新型固體鈕電容，其ESR有顯著下降力。4. 功率因數(shù)校正AC-DC開(kāi)關(guān)變換技術(shù)一般高功率因數(shù)AC-DC電源山兩級(jí)組成：在DC-DC變換器詢加一級(jí)前置功率 因數(shù)校正器，至少需要兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管和兩套控制驅(qū)動(dòng)電路。這樣對(duì)于小功率開(kāi)關(guān) 電源，總體效率低、成本高。對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高的情況，用PFC和變換器組合電路構(gòu)成小功 率AC-DC開(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管，可使PF校正到0.8以上，稱為單管單

6、級(jí)PF校正AC-DC變換器，簡(jiǎn)稱為S4。例如一種隔離式S4PF校正AC/DC變換器, 詢置功率因數(shù)校正器用DCM運(yùn)行的Boost變換器，后置電壓調(diào)節(jié)器主電路為反激 變換器，按CCM或DCM運(yùn)行；兩級(jí)電路合用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管。5. 高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容研究高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容問(wèn)題有特殊性。通常，它涉及到開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的 di/dt和dv/dt,引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)型電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì)引起強(qiáng) 電磁場(chǎng)輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)附近的電氣設(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)，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的控制電路也必須能承受主 電路及工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。山于上述特殊性和測(cè)量上的

7、具體困難，專 門(mén)針對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的研究工作，LI前還處于起始階段。顯然，在電磁兼容 領(lǐng)域，存在著許多交義科學(xué)的前沿課題有待人們研究。如：典型電路與系統(tǒng)的近 場(chǎng)、傳導(dǎo)干擾和輻射干擾建模；印制電路板和開(kāi)關(guān)電源EMC優(yōu)化設(shè)訃軟件：低中 頻、超音頻及高頻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體健康的影響：大功率開(kāi)關(guān)電源EMC測(cè)量方法的研 究等叭3總結(jié)部分開(kāi)關(guān)電源的EMC設(shè)訃應(yīng)考慮以下兒個(gè)方面：(1) 濾波器(2) 高頻變壓器(3) 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(4) 共模干擾的有源抑制(5) 印制線路板布線的EMC設(shè)計(jì)1濾波器濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如在電源輸入端接上濾波器，可以抑制 來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制山開(kāi)關(guān)電

8、源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的 干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼 容設(shè)計(jì)中具有極其霞耍的作用。它不僅可抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾。同時(shí)對(duì)傳 輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中。選用穿心電容、i端 電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇合適的濾波器, 并正確地安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分，具體措施如下何： 2高頻變壓器在高頻變圧器的原邊、副邊、開(kāi)關(guān)管的C、E極間以及在輸出整流二極管上加 裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)。3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用有助于電磁干擾的降低，這是因?yàn)楣β蔒OSFET、IGBT在零 電壓情況下導(dǎo)通和零電流情況下關(guān)斷.且快

9、速恢復(fù)二極管也是軟關(guān)斷，可以減小 功率電路中功率器件的di/dt和dv/dt。從而可以減小EMI電平。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)只在抑制紋波的高次諧波上有一定效果"。4共模干擾的有源抑制技術(shù)共模干擾有源抑制技術(shù)是一種從噪聲源采取措施來(lái)抑制共模干擾的方法。這 種方法的思路是設(shè)法從主電路中取出一個(gè)與導(dǎo)致EMI的主要開(kāi)關(guān)電壓波形完全反 相的補(bǔ)償EMI噪聲電壓。并用它去平衡原開(kāi)關(guān)電壓的影響：12：C13：Mo5印制線路板實(shí)踐證明，印制板的元器件布置和布線設(shè)訃對(duì)開(kāi)關(guān)電源EMC性能有極大的影 響，在高頻開(kāi)關(guān)電源中，由于印制板上既有電平為+5V、+13V的小信號(hào)控制線， 乂有高壓電源母線血。同時(shí)還有

10、一些高頻功率開(kāi)關(guān)、磁性元件，如何在印制板有 限的空間內(nèi)合理地安排元器件位置。將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾 性和電路工作的可靠性”。4參考文獻(xiàn)1 周志敬，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華等.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用H.北京：人民郵電 出版社，2006.2 葉良修.半導(dǎo)體物理M.科學(xué)出版社,1983.3 普利斯曼(Abrahaml. pressman)比得斯(Keith Billings)莫瑞(Taylor Morey)等.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)(第3版)M.電子工業(yè)出版社，2010.4 孫余凱.典型開(kāi)關(guān)電源電路識(shí)圖與應(yīng)用快捷入門(mén)M.電子工業(yè)岀版社，2010.5 陳元燈.LED制造技術(shù)與應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社，20

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