开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究

开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究（共8篇）

1.开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究 篇一

小型机载计算机电源的设计与研究

摘要：根据机载计算机电源的特点，简单介绍了回扫式变换的原理，并结合典型的回扫式控制器LM2588，介绍了一种高效、可靠、对空间敏感小型机载计算机供电电源的设计。此外，对关键部件――高频脉冲变压器的设计和相关理论进行了一定的分析和探讨。

关键词：机载计算机回扫式高频脉冲变压器LM2588

小体积、轻重量、高可靠性、高效率是航空电源始终追求的目标。随着微电子技术发展，采用大规模和超大规模集成电路的机载计算机主机已越来越小型化，这就对其电源部件的体积和重量提出了进一步小型化的要求。机载计算机是一种抗恶劣环境的计算机，其电源部分也必须满足抗恶劣环境的要求，例如必须适应-55℃～+125℃的环境温度和较膏药范围的输入电压;同时还要耐振动、耐撞击、抗电磁干扰等。

1某机载计算机电源的技术要求

某机载计算机对电源部件的技术要求见表1。

表1某机载计算机电源技术要求

输入直流电压27V(24V～32V)输出直流电压多路输出电压种类+5V12V-32.5输出电流4A0.2A0.05A稳压精度≤±1%≤±2%≤±2%纹波电压Vp-p50mV120mV300mV工作温度-55℃～+125℃外型尺寸362mm×160mm×15mm重量≤0.5kg具有短路、过流、过压等保护;满足其它机载条件。

2回归式变换原理

根据该电源部件输出电压种类多、给定的外型尺寸小、输入电压变化范围大、工作温度范围宽等特点，必须设计小型、高效、可靠的供电电源。为此，选择回扫式变换电路(又称flyback、ON-OFF型)进行设计，图1为其典型电路结构。此电路简洁可靠，主开关元件和变压器利用率很高，由于采用了峰值电感电流检测技术，可以灵敏地限制最大输出电流，因此高频脉冲变压器不必设计较大的.余量，特别适用于几百瓦以下功率的电源系统中。

其基本工作原理为：当开关管Q1导通时(TON)，电流流过变压器T1的初级线圈N1，变压器将能量以磁场的形式存储起来，由于初、次级圈相位不同，所以当电流流过初级线圈时，次级线圈N2中没有电流流过。当Q1截止时(TOFF)，消失的磁场使初、次级线圈中电压极性反转，整流二极管VD导通，电流通过VD流向负载，变压器的能量释放，提供负载电压、电流。控制器占空比为：

其中，VF为二极管正向压降;VSAT为Q1饱和电压降;Vo为输出电压;VIN为输入电压。

电流临界连续时，初级绕组电感量为：

其中，fOSC为开关频率;Pomin为轻负载时输出功率;η为转换效率;VINmin为最小输入电压;Dmax为最大占空比。

3设计方案

3.1回扫式控制器选择

NationalSemiconductor公司最新推出的LM2588系列控制器旨在实现一种能够满足多路供电电压输出而无需进行复杂设计的高集成度电源的解决方案。系统设计者使用它能很快地开发出小型、低成本、多路供电的电源系统。

LM2588采用7脚TO-220封装，主要包括100kHz振荡器、2.9V稳压电路、误差放大器、5A/65V的NPN开关管以及过流、过热、低电压锁定，还包括软启动、逻辑关断、逻辑控制等，内部结构如图2所示。

3.2高频脉冲变压器设计

设计的某机载计算机DC/DC开关电源如图3所示。

U1为控制器LM2588-5.0。脉冲变压器T1共有五个绕组：N1为初级绕组，N2、N3、N4、N5为次级绕组，分别对应输出+12V@0.1A、-12V@0.2A、-32.5V@0.05A以及+5V@4A，且N2、N3圈数相同。

由于回扫式控制器具有连续型和不连续型控制的特点，所以设法使其稳定就显得很重要。高频脉冲变压器的设计是整个回扫式控制电路的关键，电源的性能和优劣在很大程度上取决于变压器的设计。这里选择TOKIN公司FEER28L磁芯，磁芯的有效截面积为84.7mm2，有效磁路长度为78.3mm。彩铁氧体B25材料，常温时最大磁感应强度Bm=5100Gs。

3.2.1确定变压器匝比α

α=N2/N1=[(1-Dmax)/Dmax]・[(Vo1+VF)/Vinmin](3)

由Vinmin=24V、Vo1=5V、Dmax=0.46得出α≈0.3。

3.2.2初级绕组电感量

最大输出功率为：

Po=(Vo1+VF)・Io1+(Vo2+VF)・Io2+(Vo3+VF)・Io3+(Vo4+VF)・Io4

=26.15(W)(4)

假设效率η按照85%计算，则输入功率为：

P1=Po/η=34.8(W)(5)

设PWM控制最大占空比Dmax=42%,如果初级绕组的电感量设计得大，则流过功率开关管和输出滤波电容的电流峰值小，但由于电流上升斜率小，电路抗干扰能力差且功率开关管开通电流大;电感量小时，电流脉动大，冲击电流大。因此设计电感电流工作在连续工作状态，轻负载时取额定功率的一半，由(2)式可知：

初级绕组的峰值电流为：

Ip=(2・Po)/[η・(VI・D)]=(2×26.15)/(0.85×27×0.46)=4.95(A)<5(A)(5)

3.2.3初、次级绕组匝数

初级绕组的电感的储能为：

其中，Bs为磁感应度，Sc为脉冲变压器产芯有效截面积;Bs=104GS,Sc=0.847平方厘米。则由(6)式可知：

次级绕组匝数N2、N3为：

N2=N3=[N1(Vo2+VF)(1-D)]/VIN・D

=[10×(12+0.5)×0.54]/(27×0.46)≈6

同理可得：N4≈33，N5≈3。

3.2.4磁感应强度范围

初级输入电流平均值为：

IIN(av)=Po/(η・VIN・D)(7-1)

初级电流上升值ΔI为：

ΔI=VIN・TON/L(7-2)

初级电流IL工作范围为：

IIN(av)-ΔI/2≤IL≤IIN(av)+ΔI/2(7-3)

由(7-1)、(7-2)以及(7-3)三式可知，当VIN在24V～32V之间变化时，IL的工作范围在1.62A～4.62A之间变化。

由：B=L・I/(N1・Sc)(7-4)

得：B的工作范围为620Gs～1800Gs

最高磁感应强度大约是Bm的三分之一，设计是合理的。

3.3开关电源电路特性分析

3.3.1电流模式稳定性

当占空比大于50%时，所有电流模式控制器不可避免地要受到振荡谐波的影响而导致不稳定。为了消除振荡谐波，在回扫式控制器应用电路中，必须把被级线圈的电感量设计为大于最大值。其经验计算公式如下(单位为μH):

L≥{2.92[(VINmin-VSAT)・(2Dmax-1)]/(1-Dmax)(8)

3.3.2限流、短路保护

如果电感峰值电流大于限流值，控制器内部集成的限流比较器将触发逻辑控制电路，关断NPN开关管的驱动输出，起到很好的限流保护作用。

如果将输出端直接短路，由于使用标准型号的变压器，当输出电压降至正常值的80%时，开关频率将降至25kHz。更低的开关频率将导致开关管截止时间更长，变压器完全可以在开关管重新导通之间释放掉储存的全部能量。因此，在开关管重新导通时，变压器中为零电流，在这种情况下，开关峰值电流限制电路将限制初级电感峰值电流，很好地起到了保护控制器的作用。在短路实验中，控制器没有明显的过热现象，恢复至正常情况时，电路仍可正常工作。

3.3.3逻辑关断、频率调整与同步

通过“逻辑关断、频率调整”引脚1可进行逻辑关断控制。当3V以上的逻辑电平被加在引脚1上时，控制器便进入逻辑关断状态。因此，通过此引脚，可搭建简单的外围电路，构成过电压保护电路等。

开关频率可以通过外接电阻RSET在100kHz～200kHz之间调整，这个特点可以让使用者根据工作频率优化磁存储以及电容器的尺寸、型号等。表2为不同的电阻值对应的常用开关频率。

表2电阻值对应的开关频率

RSET/k开关频率/kHz悬空10025471503317522200

控制“频率同步”引脚6，可使控制器与系统时钟或其它开关模式的振荡器信号同步。这个特点使得可以并联使用多个设备，使其工作在同一个开关频率下，极大地消除了相关频率噪声干扰，使开关谐波得到控制和协调;同时获得更多的输出电压值，扩大控制器的应用范围。

3.3.4损耗功率、热关断

损耗功率PD主要取决于V1、多路输出最大负载电流之和∑ILOAD以及主功率线圈比N等，其近似计算公式如下：

控制器的结温决定于环境温度TA、封装热阻θJA(7脚TO-220封装典型值为35～45℃/W)以及损耗功率PD等，可近似计算如下：

TJ=PD×θJA+TA(10)

在绝大多数应用中，控制器并不需要使用散热片来降低温度，但当控制器温度超过其最大结温时(典型值为150℃)，控制器便进入热关断状态，迫使控制器停止工作，直到冷却至允许开启的温度时才重新工作。也可加装散热片来提高控制器结温，使控制器正常工作。

4应用效果

为了给控制器提供稳定、连续的供电电压，将大于100μF的存储电容接至供电输入端。将一个1.0μF的陶瓷旁路电容接在地与输入端之间，且尽可能靠近控制器，或连成RC低通滤波器，能有效地消除由输入电流脉冲产生的噪声干扰。为了获得更好的滤波效果，也可用参数为10μH/200mA的小电感代替电阻。

输出电容则选择大容量、低等效串联电阻(<0.1Ω)的电容，可大大提高负载瞬态响应特性，降低输出电压纹波。

为满足电磁兼容性要求，可在电压输入端采用TVS瞬变电压吸收二极管(1.5KE43A)和小型的抗干扰滤波器。

电源主要技术指标为：输入电压27V(18V～36V)。开关频率100kHz。输出电压分A、B、C、D四级：A组+5V@4A，峰-峰值电压纹波小于40mV;B组+12V@0.2A，峰-峰值电压纹波小于50mV;C组-12V@0.2A，峰-峰值电压纹波小于50mV;D组-32.5@0.05A，峰-峰值电压纹波小于200mV，效率(满载)为87.1%。

该电源部件中的所有元器件组装在362mm×160mm的板面里，元器件最大高度低于15mm，重量仅为0.21kg。电源经过各项性能测试和高低温实验，并通过与计算机联试，证明其各项性能指标均达到设计要求。

回扫式拓扑电路结构无疑是目前比较理想的多路供电电源电路结构。其峰值电感电流可检测、输出电压扩展性强等特点，极大地提高了控制电路的稳定性和抗干扰能力，便于供电电源的设计。

本文所介绍的开关电源电路可广泛应用于便携式仪器、通信设备、航空机载电子设备等需要±5V、±12V、±24V等多路电压输出，功率在几十瓦左右的直流供电设备中，也可以作为模块化电源设计电路，具有很大的推广应用价值。

2.开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究 篇二

本文将针对传统开关电源中存在的功率因数低、谐波污染大等问题, 研究高功率因数开关电源以提高电能的利用率, 减少对电网的污染[3]。文中采用平均电流型控制作为控制策略, 以反激式电路作为主拓扑结构, 结合DC/DC变换器与传统的Boost型PFC电路的特点, 设计一款新型多路输出高功率因数开关电源。高功率因数开关电源技术及其产业的发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的技术支撑, 并将对现代生产和生活产生深远的影响。

1 有源功率因数校正原理及控制方法

1.1 主电路拓扑结构

该有源功率因数校正的结构如图1所示, 由整流电路、反激式DC/DC变换电路、输出滤波电路和控制电路, 驱动电路等组成。

在整流电路和滤波电容之间接入一级DC/DC变换电路, 使得整流电路由原来的容性变为纯阻性, 使输入电流由尖脉冲变为正弦波。基本思想是将整流电路与滤波电容隔开使整流电路由容性负载变为阻性负载。有源功率因数校正技术采用反馈控制手段, 取出电路中的输入电流和输出电压信号, 对全控型功率开关器件的通断进行控制, 使其变为与电压波形同频率、同相位的正弦波, 功率因数达到1, 减小了电路中的无功功率和谐波电流, 提高了功率因数[4]。

1.2 PFC技术控制方法

采用平均电流型控制的PFC原理图如图2所示。平均电流型控制的工作原理为:工作在电流连续的情况下, 通过控制电感电流的平均值实现功率因数校正, 电路中含有电压闭环和电流闭环两个控制环。输出电压U0经过分压器1/H后得到信号U0/H, U0/H与参考电压Vref比较后, 经过电压误差放大器放大, 得到的输出信号作为乘法器的一个输入信号, 乘法器的另一个信号为经整流后的电压Vdc再经过分压网络1/K后所得到的信号Vdc/K, 乘法器输出的信号为电流基准信号, 与电感上的电流经过检测电阻Rs的信号iLRs经过电流误差放大器被平均化处理放大, 产生的平均电流误差信号与锯齿波信号比较后输出的信号作为开关管VT的驱动信号[5]。

电压误差放大器, 电流误差放大器的工作原理如图3和图4所示。

在图3中, 由运放的基本特性可得

即

将R0, R1和C1的值带入, 即可得电压闭环的PID参数。同理, 在图4中

可得

将R1, R2, R3, C1和C2的值带入, 即可得电流闭环的PID参数[6]。

2 电路仿真及其结果分析

2.1 仿真电路搭建

利用Matlab/Simulink软件搭建系统的仿真模型, 如图5所示。基于上述分析, 将各个模块组合搭建成基于反激式变换电路的PFC仿真模型。

2.2 仿真结果分析

仿真电路相关的参数设置为:输入220 V交流电压, 多路输出的电压分别为24 V, 12 V和5 V, 电路中的电感为2.5 m H, 输出直流母线电容均为470μF, 锯齿波频率为50 k Hz。输出结果如图6所示。

由图6和图7分析可得出, 电路未加入PFC电路时, 电流波形不能跟随电压波形变换, 电流中含有大量的谐波成分, 功率因数低。

由图8和图9分析可以得出, 电路没有加入PFC电路时, 输入电流的THD=85.25%, 电路加入PFC电路后, 输入电流的THD=4.34%, 电流的谐波含量明显降低。

由图10和图11分析可得出, 电路未加入PFC电路时, 输入电路的功率因数较低;电路加入PFC电路后, 输入电路的功率因数接近1, 功率因数明显提高。

由图12可知, 该模型的输出电压稳定, 纹波系数较小。

3 结束语

本文仿真源至于实际的系统设计, 而通过模型仿真又验证并指导了系统设计。在Matlab R2010aaSimulink仿真环境下, 搭建基于反激式变换电路的有源功率因数校正仿真电路, 实验效果良好, 验证了控制策略的正确性。

摘要：开关电源是实现电能转换和功率传递的重要设备。然而传统的开关电源功率因数低, 谐波含量高, 接入电网后, 给电网带来了一系列严重的问题。文中设计了一款反激式PFC变换器的仿真模型, 该模型是结合传统DC/DC变换中的反激式电路与基于Boost的PFC电路提出的, 采用平均电流型控制作为本控制策略, 最后运用Matlab仿真软件对模型进行了仿真, 仿真结果表明该方案控制策略的正确性。

关键词：反激式电路,功率因数,Matlab仿真,开关电源

参考文献

[1]国家技术监督局.GB/T 14549-93.电能质量公用电网谐波[M].北京:中国标准出版社, 1993.

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[3]王鸿麟, 景占荣.通信基础电源[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001.

[4]Yu Tao, Sung Junpa.A novel ripple-reduced DC-DC converter[J].Journal of Power Electronics, 2009, 9 (3) :396-402.

[5]陆治国, 胡红琼.一种新型的电流型功率因数校正控制方法[J].电气应用, 2007, 26 (11) :40-44.

3.多功能储能电源设计与研究 篇三

关 键 词：移动电源 大容量 功能多 产品设计

随着社会的进步，科技在不断发展，人们生活水平的不断提高，追求完善已成为时尚，生活中人们对电子产品的依赖性越来越高，“断电”对现代的电子产品，尤其是信息化产品，如：智能手机、iPad、笔记本电脑等，是致命一击，各类电子产品一旦没有电能的支持只能是个无用的摆设。由于体积的限制，电子产品的电池只能限定在特定的体积内，这就限定了电子产品的续航能力。目前，市场的移动便携电源多种多样，通常移动电源只能针对一种电子产品充电，但是没有一款可以为多种小电器提供通用充电产品。并且现有充电产品容量不够大，还没有专门为笔记本电脑充电的移动电源。通过学习对专业的学习，使我掌握工业设计的相关知识，现代社会人们在对消费产品的需求不仅仅满足于基本功能的完备，更注重了产品的外观的美感及不断提高和完善的功能和使用者的心理和生理感受。

一、产品的前期调研

移动电源是一种集供电和充电于一体的便捷式充电器，可以给数码设备随时随地充电或者待机供电。它通过整流、滤波，把市电转化为电器可接受的电流，然后由电能转为化学能储存起来，当手机或其他的数码产品在使用过程中因电池电量耗尽，不需要取下电池，直接将自由充电器接上，就可以给数码产品供电，还可以同时边充电边使用，且便于携带。一般由锂电池芯或者干电池作为储电单元，区别于产品内部配备的电池。一般配备多种电源转换接头，通常具有容量大、用途多、体积小、寿命长和安全可靠等特点。

二、移动电源发展的四个阶段

第一阶段：2001-2007年，概念炒作，昙花一现。 移动电源最早出现在2001年的CES展览上，那时只是在CES沙摊馆的一个地摊似的展览位上，是一个留学生用几节AA电池再带一个控制电路而拼凑起来的。当时这个不起眼的东西，因它能在任何地方给数码产品充电而引起许多参展商的关注。当时为了概念炒作，还取了一个颇具浪漫气息的名字-手机恋人，曾经有厂家请到影视明星陈建斌做产品代言人，可见当时就有厂商预见到移动电源项目的未来发展前景。因智能手机市场尚未启动，移动电源没有真正的市场需求，更多的只是一种新概念炒作，昙花一现也就不足为怪了。第二阶段：2007年-2010年，小荷已露尖尖角，萌芽期。随着苹果手机的横空出世，引发了不少领域的革命，比如手机电池—原来可以把手机电池做到不可更换！苹果的另一个革命是将手机越做越薄，但功能却越来越多！上网、游戏、视频、聊天、照相摄影样样俱全。这其实是个悖论，按理说手机功能做得越多就越耗电，那手机电池就应该越做越大。但苹果公司恰恰相反，只要手机足够时尚、足够炫，消费者足够喜欢就行了！这就给移动电源带来了机会，开始有一部分果粉们明显感到电池不够用，对移动电源有了刚性需求。第三阶段：2011年-2012年，百花争艳，快速成长期。但这个时候，一些与移动电源产品根本无甚关联的厂家，如原来做键盘鼠标的、做手机保护套的、做塑胶五金模具的，没有深入了解移动电源，以为移动电源制作简单，纷纷上马，一时间，移动电源市场良莠不齐，一地鸡毛！在这个市场的快速成长的同时，也留下不少的隐患。第四阶段：2012年-今后3-5年：翻天覆地，巨额增长期。2012年3月，据中央人民广播电台报道，国内知名市场研究公司的数据显示，中国手机用户突破10亿大关。但智能手机只占到了8%，而发达国家占有率达到60%以上，新加坡、香港则达到了90%以上，所以，在今后3-5年，中国的智能手机用户将占到50%以上，也就是智能手机将达到5-8亿台的巨量！移动电源市场将产生翻天覆地的变化，进入真正的巨额增长期，一些真正重品质、重品牌建设、重创新的移动电源厂商、销售商将执市场牛耳，获得消费者的青睐，同时获得巨大的利益。

三、激动电源组成

现如今市场上的移动电源大体分为三部分：1、单口输出：一次只能为一种电子产品充电；2、双口输出：一次允许同时给两种电子产品充电，限定电流一般为1A和2A输出口；3、单出口或双出口配备LED强光手电或配备其他功能的：在充电工具外加入方便出行的强光手电或配备其他功能方便出行。

目前市面上出现的移动电源种类繁多，一般都是给小型数码产品提供充电功能，但是能够给笔记本电脑充电的寥寥无几，市面上的一款给笔记本充电的移动电源USB输出接口为5V2.5A（MAX）由于不同的笔记本需要的充电电压不同设有三个电压的调节按钮分别为19V、16V、12V。此款移动电源给出的标语是“支持99%笔记本电脑充电”并且配备的多款笔记本充电的插头，在目前笔记本品牌繁多的时代同款的笔记本电脑电池要求的充电电压各不相同，多种的品牌就需要一款可调节的电压控制器来满足不同电脑电池的要求，这样的电压控制器不紧使移动电源可以满足电脑电池的续航也可以保证笔记本电脑的电池使用寿命不会因电压过高或者过低充电造成折损。

四、移动电源的发展趋势

1.大容量：随着时代的发展，电子产品功能越来越多，对电量的消耗也越来越大，所以对移动电源的容量要求也越来越高，所以大容量移动电源是一大趋势。 2.多功能：电子产品的种类繁多，各种接口不一而足，所以移动电源必须要具备能给更多设备充电的能力，尤其是电脑。3.自充电：如果移动电源能够带有自充电的功能，会赢得更多远行者的青睐。4.个性化：在满足移动电源实用性的同时，还要重点考虑到它独有的外形魅力，为枯燥的一天增添色彩。5.安全性：移动电源的安全也是个重要课题，不仅要保证数码设备的安全性，最主要的是人身的安全。

五、移动电源设计与分析研究

产品的涵盖功能：需求决定生产，人们对产品的功能要求越来越高，目前对移动电源最稀缺的功能是：1、自充电：配备太阳能电池板，让你的移动电源不断电；2，、多接口：多孔USB接口，实现资源共享；3、笔记本电脑充电：为出差旅行人的工作消遣不断电；4、小工具：安装灯，为出去旅行的旅游宿舍学习的学生照明；5、收纳盒：数码产品种类繁多需要的数据线时常互相缠绕，使用起来特别不方便，需要配备一个数据线收纳盒，让数据线的使用及整理更加的便捷。

设计中遇到的问题及解决方案：1、大容量：需要支持大容量移动电源为内部材料问题，钴酸锂为目前常用的移动电源内部材料，技术成熟且应用范围广泛若给笔记本充电的大容量移动电源体积就会显得很笨拙，应对人们大容量且体积轻的电源就需要寻找新兴材料代替，材料磷酸铁锂可以达到这个标准，且有循环使用次数达2000次使用寿命大大增强、体积轻便、大电流放电、内阻小发热少、安全环保、无毒等优点。使用磷酸铁锂材料可以解决大容量轻便的问题。2、给笔记本电脑充电：通常用来充电的移动电源电压为5V1A或者5V2A规格的，若直接将移动电源与插线板结合起来，将涉及到电压过量的升高及交流电与直流电转换问题，会使电能大量流失。采取解决方案：用直流电流直接给笔记本充电较为可行，目前市面上的笔记本电池的直流充电电压从14.5V～20V，这样做一个外置的可调节的升压装置即可满足给笔记本充电的需求且装置可调控使充电电压更精准，方便使用。3、多接口：目前移动电源佩戴接口最多为三个，两个为USB输出接口一个为移动电源的充电接口，在移动电源上多配备共享的USB接口不紧影响美观性也会对移动电源内芯的体积有一定的影响，接口配备多了会导致移动电源的体积过大影响携带的方便，于是单配备一个共享多接口的小装置放在收纳盒里，这样不紧解决了共享的问题也使移动电源的本身不会有负担。4、收纳盒：配备数据线的种类繁多，盒子大小就需要进行推敲，在设计数据线时可以把平时使用的大插头进行精简制作，在配备插头转换器，这样平时使用的几种数据线及转换插头就可以方便的放入收纳盒中了，收纳盒的体积也得到了有效的收缩，这样与移动电源一体的可拆卸的收纳盒就可以方便携带了。

结论

一件新产品的产生是由于现有产品功能不足而引发的改进设计理念与方案，所做的改进不能只停留在表面，想要完全改进一件产品就要深入从产品的材料入手，材料是产品内部的核心，它决定产品的质量、大小及能力。产品的附属品的品质也是值得重视的关键点，以方便消费者为出发点进行设计改良，在所有的步骤进行完善的基础上在进行外观的设计，产品的硬件良好还要给予产品一个夺人眼球的外观，这样的产品才能在市场上提高销售数量。

北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目编号：201311417SJ042

参考文献

[1] 陈根.话说数码产品——造型、工艺、营销[M].电子工业出版社.2013

[2] 犹里齐，埃平格.产品设计与开发（第四版）[M].杨德林，译.东北财经大学出版社有限公司.2008

[3] 汤志强，谭嫄嫄，李晓卿.世界经典产品设计[M].湖南大学出版社.2010

[4] 刘永翔.产品设计[M].机械工业出版社.2008

4.开关电源热设计讨论 篇四

借本论题探讨热设计的方法及可靠性设计

先开个头：散热设计的一些基本原则

从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则：

·对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按纵长方式排列，如图3示；对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其它器件）按横长方式排列。

·同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。

·在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。

·对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。

·设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。

电子设备散热的重要性

在电子设备广泛应用的今天。如何保证电子设备的长时间可靠运行，一直困扰着工程师们。造成电子设备故障的原因虽然很多，但是高温是其中最重要的因素（其它因素重要性依次是振动Vibration、潮湿Humidity、灰尘Dust），温度对电子设备的影响高达60％。

温度和故障率的关系是成正比的，可以用下式来表示：

F = Ae-E/KT 其中：

F = 故障率, A=常数

E = 功率

K =玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K)T = 结点温度

随着芯片的集成度、功率密度的日愈提高，芯片的温度越来越成为系统稳定工作、性能提升的绊脚石。作为一个合格的电子产品设计人员，除了成功实现产品的功能之外，还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命，环境适应能力等等。而这些都和温度有着直接或间接的关系。数据显示，45%的电子产品损坏是由于温度过高。可见散热设计的重要性。如何对产品进行热设计，首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础依。如何理解Datasheet的相关参数呢？下面将对Datasheet中常用的热参数逐一说明。

一、Datasheet中和散热有关的几个重要参数

P--芯片功耗，单位W（瓦）。功耗是热量产生的直接原因。功耗大的芯片，发热量也一定大。

Tc--芯片壳体温度，单位℃。

Tj--结点温度，单位℃。随着结点温度的提高，半导体器件性能将会下降。结点温度过高将导致芯片工作不稳定，系统死机，最终芯片烧毁。

Ta--环境温度，单位℃。

Tstg--存储温度，单位℃。芯片的储存温度。

Rja/θja--结点到环境的热阻，单位℃/W。

Rjc/θjc--结点到芯片壳的热阻，单位℃/W

Ψjt--可以理解为结点到芯片上表面的热阻。当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数。

LFM--风速单位，英尺/分钟。

提供最大Ta、Tj、P--早期的芯片Datasheet一般都是这种。理论上我们只需要保证芯片附近的环境温度不超过这个指标就可以保证芯片可以正常工作。但是实际并非如此。Ta这个参数是按照JEDEC标准测试而得。JEDEC标准是这样定义的：把芯片置于一块3X4.5英寸的4层PCB中间，环境温度测试探头距离这块PCB的板边缘12英寸。可见我们产品几乎不可能满足这种测试条件。因此，Ta在这里对我们来说，没什么意义。在这种情况下保守的做法是：保证芯片的壳体温度Tc﹤Ta-max，一般来说芯片是可以正常工作的。>br>

直接提供Tc-max--这种情况相对较少，处理也相对简单。只需保证Tc﹤Tc-max即可。>br>

提供Tj、Rjc/θjc、P--近2年来，随着热设计的重要性不断提高，大部分的芯片资料都会提供上述参数。基本公式如下：

Tj=Tc+Rjc*P

只要保证Tj﹤Tj-max即可保证芯片正常工作。

归根结底，我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值，芯片就可以正常工作。

如何判断芯片是否需要增加散热措施

第一步：搜集芯片的散热参数。主要有：P、Rja、Rjc、Tj等

第二步：计算Tc-max：Tc-max=Tj-Rjc*P

第三步：计算要达到目标需要的Rca：Rca=（Tc-max-Ta）/P

第四步：计算芯片本身的Rca’：Rca’=Rja-Rjc

如果Rca大于 Rca’，说明不需要增加额外的散热措施。

如果Rca小于Rca’，说明需要增加额外的散热措施。比如增加散热器、增加风扇等等。

如前所述，Rja不能用于准确的计算芯片的温度，所以这种方法只能用于简单的判断。而不能用于最终的依据。下面举一个简单的例子：

例：某芯片功耗——1.7W；Rja——53℃/W；Tj——125℃；Rjc——25℃/W，芯片工作的最大环境温度是50℃。判断该芯片是否需要加散热器，散热器热阻是多少。

Tc-max=Tj-Rjc*P =125℃-25℃/W*1.7W =82.5℃

Rca=（Tc-max-Ta）/P =（82.5-50）1.7 =19.12℃/W

Rca’=Rja-Rjc =53-25 =28℃/W

Rca小于Rca’，所以需要增加散热器。

散热器的热阻假设为Rs，则有：

Rs//Rca’小于Rca

Rs*28/（Rs+28）小于19.12 Rs小于60.29℃/W

所以选用的散热器热阻必须小于60.29℃/W。

上面仅是非常简单的例子，当然时间的情况要比这个复杂的多，需要通过仿真软件计算来分析和计算。

在普通的数字电路设计中，我们很少考虑到集成电路的散热，因为低速芯片的功耗一般很小，在正常的自然散热条件下，芯片的温升不会太大。随着芯片速率的不断提高，单个芯片的功耗也逐渐变大，例如：Ｉｎｔｅｌ的奔腾ＣＰＵ的功耗可达到 25W。当自然条件的散热已经不能使芯片的温升控制在要求的指标之下时，就需要使用适当的散热措施来加快芯片表面热的释放，使芯片工作在正常温度范围之内。

通常条件下，热量的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递，对流是借助流体的流动传递热量，而辐射无需借助任何媒介，是发热体直接向周围空间释放热量。

在实际应用中，散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。风扇的使用也分为两种形式，一种是直接安装在散热器表面，另一种是安装在机箱和机架上，提高整个空间的空气流速。与电路计算中最基本的欧姆定律类似，散热的计算有一个最基本的公式：

温差 = 热阻 × 功耗

在使用散热器的情况下，散热器与周围空气之间的热释放的“阻力”称为热阻，散热器与空气之间“热流”的大小用芯片的功耗来代表，这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在，在散热器和空气之间就产生了一定的温差，就像电流流过电阻会产生电压降一样。同样，散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻。热阻的单位为℃/W。选择散热器时，除了机械尺寸的考虑之外，最重要的参数就是散热器的热阻。热阻越小，散热器的散热能力越强。风冷散热原理

从热力学的角度来看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处，这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象。而热传递的方式有三种：辐射、对流、传导，其中以热传导为最快。我们要讨论的风冷散热，实际上就是强制对流散热。

对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体，而这具有不同温度时所发生的热量转移过程。热源将热量以热传导方式传至导热导热介质，再由介质传至散热片基部，由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热空气，完成热的散热过程。

对流换热即受导热规律的支配，又受流体流动规律的支配，属于一种复杂的传热过程，表现在对流换热的影响因素比较多。

1．按流体产生流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流。

2．按流动性质来区分，有层流和紊流之别。流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果。一般以雷诺数（Re）的大小，作为层流或紊流的判断依据。

3．流体的物性对对流换热的影响。例如，粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等，它们随流体不同而不同，随温度变化而变化，从而改变对流换热的效果。

4．换热表面的几何条件对对流换热的影响。其中包括：

1)管道中的进口、出口段的长度，形状以及流道本身的长度等； 2)物体表面的几何形状，尺寸大小等；

3)物体表面，如管道壁面、平板表面等的粗糙程度；

4)物体表面的位置（平放、侧放、垂直放置等）以及流动空间的大小。

5．流体物态改变的影响。

6．换热面的边界条件，如恒热流、恒壁温等，也会影响对流换热。

7.风量和温度的关系

T＝Ta＋1.76P／Q 式中

Ta－－环境温度，℃

P－－整机功率，W Q－－风扇的风量，CFM T－－机箱内的温度，℃

举一个电路设计中热阻的计算的例子：

设计要求： 芯片功耗： 20瓦

芯片表面不能超过的最高温度： 85℃

环境温度（最高）： 55℃

计算所需散热器的热阻。

实际散热器与芯片之间的热阻很小，取01℃/W作为近似。则

（R + 0.1）× 20W = 85℃-55℃

得到 R = 1.4 ℃/W

只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃。

使用风扇能带走散热器表面大量的热量，降低散热器与空气的温差，使散热器与空气之间的热阻减小。因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示。如下例：

风速（英尺/秒）热阻（℃/W）

0

3.5

2.8

200

2.3

300

2.0

400

1.8 PCB表面贴装电源器件的散热设计

以Micrel公司表贴线性稳压器为例，介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作。

1.系统要求:

VOUT=5.0V；VIN(MAX)=9.0V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=700mA；运行周期=100%；TA=50℃

根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A-5.0BU稳压器，其参数为：

VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况)

TJ MAX=125℃。采用TO-263封装，θJC=3℃/W；

θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上)。

2.初步计算： VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V

PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W

温度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃；热阻θJA(最坏情况):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W。

散热器的热阻, θSA=θJA-(θJC+θCS)；θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大)。

3.决定散热器物理尺寸：

采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔，并采用1.3米/秒的空气散热的方案相比较，后者的散热效果最好。

采用实线方案，保守设计需要5,000mm2的散热铜箔，即71mm×71mm(每边长2.8英寸)的正方形。

4.采用SO-8和SOT-223封装的散热要求：

在下面的条件下计算散热面积大小：VOUT=5.0V；VIN(MAX)=14V；VIN(MIN)=5.6V；IOUT=150mA；占空比=100%；TA=50℃。在允许的条件下，电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件。SO-8能满足这个要求吗？采用MIC2951-03BM(SO-8封装)，可以得到以下参数：

TJ MAX=125℃；θJC≈100℃/W。

5.计算采用SO-8封装的参数：

PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W；

升高的温度=125℃-50℃=75℃； 热阻θJA(最坏的情况): ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W；

θSA=51-100=-49℃/W(最大)。

显然，在没有致冷条件下，SO-8不能满足设计要求。考虑采用SOT-223封装的MIC5201-5.0BS调压器，该封装比SO-8小，但其三个引脚具有很好的散热效果。选用MIC5201-3.3BS，其相关参数如下：

TJ MAX=125℃

SOT-223的热阻θJC=15℃/W θCS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的)。

6.计算采用SOT-223封装的结果:

PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W 上升温度=125℃-50℃=75℃；

热阻θJA(最坏的情况): ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W；

θSA=54-15=39℃/W(最大)。根据以上的数据，参考图1，采用1,400 mm2的散热铜箔(边长1.5英寸的正方形)可以满足设计要求。

以上的设计结果可以作为粗略的参考，实际设计中需要了解电路板的热特性，得出更准确、满足实际设计的结果。

（Rcs是器件到散热器的热阻，由于是直接焊在PCB上，可视为零。

在PD等式中的15mA等是器件工作时所需的静态电流，你可以在DATASHEET查出。如：MIC2937A-5.0BU的regulator quiescent current在IL为750mA时的典型值为15mA）散热器材料的选择：

散热片的制造材料是影响效能的重要因素，选择时必须加以注意！目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数：

金

317 W/mK

银

429 W/mK

铝

401 W/mK

铁

237 W/mK

铜

W/mK

AA6061型铝合金

155 W/mK

AA6063型铝合金 201 W/mK

ADC12型铝合金 96 W/mK

AA1070型铝合金 226 W/mK

AA1050型铝合金 209 W/mK

热传导系数的单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率。

热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用；铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作计算机空冷散热片。铜的热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件，在计算机相关散热片中使用较少，但近两年随着对散热设备性能要求的提高，越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，寄此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。

各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。上表中列出的5种不同铝合金中：AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。风扇的选择:

风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分，对散热效果起着至关重要的作用，是散热器中唯一的主动部件；同时，更对散热器的工作噪音有着决定性的影响。风扇在散热中的职责为：凭借自身的导流作用，令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片，利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量，从而实现“强制对流”的散热方式。

散热片即使结构再复杂，也只是一个被动的热交换体；因此，一款风冷散热器能否正常“工作”，几乎完全取决于风扇的工作状态。在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下，仅仅是更换更加合适、强劲的风扇，也可以令散热效果获得大幅度的提升；反之，如果风扇搭配不合适或不够强劲，则会使风冷散热器效能大打折扣，令散热片与整体设计上的优点被埋没于无形；更有甚者，由于风扇是风冷散热器中唯一确实“工作”的部分，它本身的故障也就会导致散热器整体的故障，令其丧失大部分的散热性能，进而引起系统的不稳定或当机，甚至因高温而烧毁设备。

风扇可分为：含油轴承、单滚珠轴承、双滚珠轴承、液压轴承、来福轴承、Hypro轴承、磁悬浮轴承、纳米陶瓷轴承等，下面是其性能

比

较

表

从由表中可以看出，轴承技术对风扇的性能、噪音、寿命起着重要的决定性作用，实际选购风扇时必须加以注意。通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面要求综合考虑：

1.性能不高，噪音小，价格低，含油轴承是唯一的选择，但寿命较短，使用一段时间后噪音可能会逐渐增大，需做好维护或更换的心理准备。

2.性能强悍，寿命长，价格不高，滚珠轴承是不二之选，但需忍受其工作时产生的较大噪音。

3.性能与噪音都没有特殊要求，但希望寿命长，价格不高，来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择。

4.性能好，噪音低，寿命长，如此便不能对价格提出进一步的要求了，只要资金充足，液压、精密陶瓷等特色轴承技术都可列入选择范围之内。

5.对静音与寿命要求极高，磁悬浮轴承是仅有的选择，只是性能不佳，价格过高。

（1,散热器或壳体的颜色很重要.我用半砖0.9寸散热器分别做两组试验,发现黑色的比不加色的温升低.2,散热器的方向(非正方形)也很重要.）

5.开关电源的PCB设计经验总结 篇五

5.机械,散热和EMI考量 6.Gerber文件的生成 7.制板工艺说明

不好意思,最近比较忙,所以进度会比较慢.首先,你要开始这个工作,先掌握一款软件,画PCB的软件很多,protel,AD,PADS, Power PCB, Allegro等等.当然这些只是工具,在这里并不讨论某种软件怎么用.第一步,我们来讨论怎么画原理图.可能很多工程师觉得怎么画原理图不重要,只要画对就行.其实不然,画图和编程一样,一个是要正确,二是要有可读性,逻辑分明.要是一张原理图,n久之后连你自己都看不懂,那肯定不是好原理图.对于电源原理图,要做到逻辑分明并不难.1.首先要把功率电路和控制电路区分开来.如果你是简单电路,可以放在一张原理图里.比如上面 为功率电路,下面为控制电路.并且将初次级分割明显.如果你是复杂电路,可以采用多张原理图,比如PFC一页,DCDC一页,PFC控制电路一 页,DCDC控制电路一页,还有各种保护也单独一页.2.每个功能模块,都应该有简短的文字说明.3.尽量少用交叉,但又不连接的连线.过多的交叉线,会导致看不清楚,而且有可能会误连接.4.合理利用网络名,原理图中每一个节点都有一个独一无二的net name,所以对一些无法用连线连接的节点,可以用net来连接,但是net的名字应该取得比较形象,容易读懂.对于跨页的连接,应该采用全局的网络名.在画原理图的时候,还需要养成一些小的良好习惯,比如

1.一些在布板的时候需要彼此靠近的器件,在原理图中最好也画在一起.2.在第一次研发的时候,应该预留一些调试的器件位置,有利于增加器件.3.善于利用0欧姆电阻,0欧姆电阻可以将一个net分成二个net,有利于布线.在你布比较复杂的电路的时候,会发现有时候很多走线是一个net的,但是又不能混在一起.比如功率地,信号地.那么在布线的时候,为了能自动互相避让,可以将其分成两个net.原理图是一个项目的开始,也是最为关键的一环.所以在画原理图的时候,应该仔细审查,任何一个细微错误,都会导致将来花大力气来弥补.原理图一旦完成,就该进行编号,同时每一次修改,都应该另存,不要随意覆盖旧文件,避免出错后找不到原来的文件.那么如果原理图准备完毕,就要开始准备每一个所用器件的PCB封装.在大公司里,通常PCB封装有严格的规范,或许有专人制作,那么电源工程师就省去了这个麻烦.但是在一些小公司里,封装还得工程师自己来画,那么要注意些什么呢? 1.封装的脚位必须和原理图脚位一一对应,比如电解电容,如果脚位对错,那可糟糕了.2.要了解生产工艺对封装的要求,通常生产线会积累一些经验,比如封装焊盘多大,生产效率比较高,那么工程师在做封装的时候要事先了解这些规范,尽量迁就产线标准.这样生产效率才能提高.其次,不同的焊接工艺,比如是波峰焊,还是回流焊,都会对焊盘有不同的要求.3.对于一些对称的封装，一定要注意标记,比如标记1脚,避免装反.对于定制的器件,最好搞成不对称,可防反.如果开始布局了,首先要考量的就是器件的总体摆放.1.要考量功率电路的走向,功率电路是占了PCB大部分的区域,那么这部分电路的走向就非常重要了.通常对于功率比较大的电路,走向有以下几种.直线型:输入在一边,输出在另外一边.回字型:输入和输出在同一边,绕个弯回来.蛇形:绕好几个弯

多块板子,比如有AB两块板子,中间用飞线连接.(注意飞线上要走直流电流,减少EMI)当然还有其他的一些,总的来说,功率走向要清晰,不能胡乱交叉.对于布局，为了考虑EMI，首先需要对原理图的EMI产生源头进行分析，首先保证功率电路的EMI的源头的环路最小，在此基础上去布局比较好！我现在指导 LAYOUT 布局就是依据这点来布的，其次在对芯片的周围原件的布局时，先把关键的原件给优先布局，然后在布局其他次要的，举个例子，如芯片的去耦电容优先布局，控制 器的震荡优先布局，反馈回路优先布局等等。

对于大致的功率走向确定之后,要来分别细化各个功率电路的走向,首先看EMI的滤波器的,布局

EMI滤波有个大概的原则,就是输入和输出尽量远离.如果输入和输出很靠近,那么输入输出之间的耦合电容,会导致高频滤波效果变差.滤波器走向如下:

那么再来看一下一个简单的反激电路

如果从结构,散热的角度来考虑的话,要注意一些细节: 板子的重量尽量均衡,不要把重物器件都集中在某一区域.热源器件也不要都聚集在一块,不然互相提高温升.对热敏感的器件,比如电解电容,不要靠近热源,或者热源的下风口.对于风冷的电源,要注意风道的畅通,发热器器件尽量处于下风口,对热敏感器件处于上风口.对于容易破裂的器件,比如陶瓷电容,不要放在PCB容易弯曲的地方,比如定位孔附近.除此之外，还有一个重要的环节，就是要事先了解安规，要知道你设计的产品，将来要过哪个地区的哪些安规。

要事先考虑好，各个爬电距离，电气间隙的要求。事实上安规的细节要求是非常多的，对于研发工程师来说，一开始就要和安规工程师做好沟通，了解一些细节。最主要的一些细节，大致有这些，保险丝前的火线和零线的距离。初级，次级，大地之间的距离。两个不同电位点之间的距离。

这些，以后有时间可以和大家专门以安规的角度去讨论。

关于控制电路的布局,通常复杂点的电源,控制电路分为控制部份,和驱动部份.而驱动部份介于功率电路和信号电路之间,是一定的干扰源,而抗干扰能力要比信号电路强.简单一点的电路,控制和驱动是集成在一块的.那么需要注意的是: 1.控制电路的布局,应该尽量远离功率电路,不宜和功率电路混在一起.特别需要避开dv/dt大的节点,di/dt大的环路.2.布局应该以IC为中心,优先布局震荡电容,去耦电容等电容器件.因为容性器件起到滤除高频噪音的功能,为了减少寄生电感,要和IC的引脚尽量近.3.驱动电路必须靠近MOS,这样驱动电路的环路才会比较小,一个减少干扰,二减少驱动线上的寄生电感.当布局初步完成之后,就要切入我们讨论的重点,如何布线.对于电源来说布线并非简单的连连起来这么简单,有诸多的细节需要考虑.首先,在布线之间,你要了解合作的PCB厂家的工艺水平.比如你采用1盎司的铜厚,通常的厂家能做的最小线宽和最小间距大概在5mil左右,如果你设计的太小,会导致工艺做不到.同样铜厚越厚,最小线宽和间距就会越大.通常2盎司,会要求7mil以上,3盎司会要求8mil以上.当然这些都是要看各个PCB厂家的工艺水平.所以在设置布线规则之前,要先了解这些.接下来,应该知道多大的电流需要多宽的铜皮.也就是所谓的走线的电流密度,这个没有唯一的标准,完全受铜线的温升限制.但是IPC-2221提供一个参考计算.为了方便计算,国外的网友设计了一个网页: http://circuitcalculator.com/wordpress/2006/01/31/pcb-trace-width-calculator/

6.开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究 篇六

来源：开关电源 时间：2014-05-29 08:36 浏览：

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基于MC34063的稳压电源设计

一、集成稳压电源和开关电源的区别：

（1）、集成稳压器的组成

电路内部包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分,另外加上保 电路和启动电路。1.调整管

在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为由两个三极管组成的复合管。这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。

2.放大电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。

3.基准电源

在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。

4.采样电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。

5.启动电路

启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。

6.保护电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。

(2)、开关电源：

当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。此脉冲信号作为开关管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也发生变化，从而使滤波后输出电压的平均值基本保持不变。

二、开关电源的分类：

（1）

按开关管的连接方式，开关电源可分为串联型开关电源和并联型开关电源。串联型开关电源的开关管是串联在输入电压和输出负载之间，属于降压式稳压电路；而并联型开关电源的开关管是在输入电压和输出负载之间并联的，属于升压式稳压电路。

（2）

按激励方式，开关电源可分为自激式和他激式。在自激式开关电源中，由开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，类似于间歇振荡器；而他激式开关电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止，使开关电路工作并有直流电压输出。

（3）按调制方式，开关电源可分为脉宽调制（PWM）方式和脉频调制（PFM）方式。PWM是通过改变开关脉冲宽度来控制输出电压稳定的方式，而PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，将误差值放大后去控制开关脉冲周期（即频率），使输出电压稳定。

（4）

按输出直流值的大小，开关电源可分为升压式开关电源和降压式开关电源，也可分为高压开关电源和低压开关电源。

（5）

按输出波形，开关电源可分为矩形波和正弦波电路。

（6）

按输出性能，开关电源可分为恒压恒频和变压变频电路。

（7）按开关管的个数及连接方式又可将开关电源分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。单端式仅用一只开关管，推挽式和半桥式采用两只开关管，全桥式则采用四只开关管。

（8）

开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。

（9）按软开关方式分，开关电源有电流谐振型、电压谐振型、E类与准E类谐振型和部分谐振型等

三、常见开关电源的介绍：

1、基本电路：

开关式稳压电源的基本电路框图如下图所示：

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

2、单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1 导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1 整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－ 200kHz之间。

3、单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也 导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和 复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200 Ｗ的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

4、自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic 开始减小，在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压，使VT1 迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦用于小功率电源。

5、推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大，一般在100-500 Ｗ范围内。

6、降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时，二极管VD1 截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7、升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时，电感Ｌ储存能量。当开关管VT1 截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

8、反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。当开关管 VT1 导通时，电感L 储存能量，二极管VD1 截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。

四、设计降压开关电源并计算参数：

1、MC34063的介绍：

MC34063控制芯片：

该器件本身包含了DC／DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。

MC34063集成电路主要特性：

输入电压范围：

2、5～40V 输出电压可调范围：1．25～40V 输出电流可达：1．5A 工作频率：最高可达100kHz 低静态电流

短路电流限制

可实现升压或降压电源变换器

MC34063的基本结构及引脚图功能：

图1

1脚：开关管T1集电极引出端； 2脚：开关管T1发射极引出端；

3脚：定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；

4脚：电源地；

5脚：电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1％的精密电阻； 6脚：电源端；

7脚：负载峰值电流（Ipk）取样端；6，7脚之间电压超过300mV时，芯片将启动内部过流保护功能； 8脚：驱动管T2集电极引出端。

2、MC34063组成的降压电路原理:

降压转换器

1.比较器的反相输入端(脚5)通过外接分压电阻R1、R2监视输出电压。其中,输出电压U。=1.25(1+ R2/R1)由公式可知输出电压。仅与R1、R2数值有关因1．25V为基准电压，恒定不变。若R1、R2阻值稳定，U。亦稳定。

2.脚5电压与内部基准电压1．25V同时送人内部比较器进行电压比较。当脚的电压值低于内部基准电压(1．25V)时，比较器输出为跳变电压，开启R—S触发器的S脚控制门，R—S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态(高电平)，驱动管T2导通，开关管T1亦导通，使输入电压Ui向输出滤波器电容Co充电以提高U。，达到自动控制U。稳定的作用。

3.当脚5的电压值高于内部基准电压(1．25V)时，R—S触发器的S脚控制门封锁，Q端为“0”状态(低电平)，T2截止，T1亦截止。

4.振荡器的Ipk 输入(脚7)用于监视开关管T1的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到R—S触发器的Q端。

5.脚3外接振荡器所需要的定时电容Co电容值的大小决定振荡器频率的高低，亦决定开关管T1的通断时间。

3、电路的参数设计计算：

1.采样回路电阻R1和R2：

Uo(输出电压)：它的稳压值由R1和R2决定，其计算公式为 U。=1.25(1+ R2/R1)。由实际电路可知： 5=1.25(1+ R2/R1)（1）

采样回路电阻R1和R2要对输出回路分流，为了减少功耗，其分流电流值应低于0.001A，才不会影响系统的性能。取值为1mA。则： R2+R1= U。/0.001 由实际电路可知: R2+R1=5/0.001(2)R1=1.2k R2=3.6k 2.Ton与Toff 值：

Ton/Toff=(Uo+Uf)/(Ui-Usat-Uo)

其中：Uo(输出电压)、Uf为整流二极管正向压降可以取1.2V、U i(输入电压)Us为开关管的饱和压降可以取1.0V Ton+Toff=1/ fmin

其中：fmin(振荡器频率)：它决定开关管的通断频率。一般选20KHz 由实际电路可知：

Ton/Toff=（5+1.2）/（25-1.0-5）（3）Ton+Toff=1/20KHZ（4）Ton=1.23*10-5 Toff=3.77*10-5 3.电流限制电阻：Rsc Rsc=0.33/ Ipk Ipk: 负载峰值电流

Ipk =2Io(max)=1A

Io(max):最大输出电流、有实际电路知为0.5A 实际电路可知： Ipk=2*0.5=3； Rse=0.33/1=0.33； 4.定时电容Ct

Ct=4*10-5*Ton(5)

Ct=4*10-5*1.23*10-5=491*10-12 即Ct可选470pf 5.电感L

L(min)=(Ui-Usat-Uo)/ Ipk*Ton(max)（6）带入数据：L=（（25-1-5）/1）*1.23*10-5=234*10-6 即L可选：220Uh

占空比不能超过6/7，因为电容的充电放电周期为6：1 6.滤波电容Co

Co=Ipk*(Ton+Toff)/8Up-p(7)取纹波为0.05% 则：

C0=1*（1.23*10-5+3.77*10-5）/8*（25*0.0005）=500*10-6

C0可取：470Uf

Up-p(输出电压纹波峰一峰值)：该参数用于决定输出滤波电容Co的数值 7.输入端滤波电容C

对于输入端来说，输入端电容要求大一点，由最大输入电压为40V，取电容耐压值为50V

由 MC34063资料可知输入端电容值为100uf

五：画原理图和PCB图列清单：

原理图：

PCB图：

元件清单：

名称 MC34063 肖特基二极管 分流电阻R1 分流电阻R2 电感L1 定时电容 滤波电容（输出）限流电阻Rsc 滤波电容（输入）

型号

IN5819 1.2K 3.6K 220uh 470pf 470uf 0.33 100uf

耐压/功率 数量 2.5～40V/1.25w 40V40W 10v 10v 30v 10v 10V

40V.5A 50V 1 1 1 1 1 1 1 1

实物图：

六、性能测试分析与结果：

本次设计的结果基本能够达到预期的要求： 空载时：

能比较准确的把10到25V的电源稳定在4.98V。

当输入电压为25V时测的空载电流为0.11A，输出纹波28mV 则：

电路输入功率： Pi=25*0.11=2.75W 带负载时： 由设计的电路可知： Imax=0.5A 理论计算出其电阻负载为： R=Uo/Imax=5/0.5=10 调节电阻是输出的电流为0.5A，此时测的的输出电压为4.97V 则：

实际电路计算的输出负载为： Ro=Uo/0.5=9.94 输出功率： Po=0.5*4.97=2.485W 电压调整率为: &U=4.98-4.97=0.01V 电路的效率

Po/Pi=2.485/2.75=90.36%

七、结论与心得：

7.野战方舱智能电源系统设计研究 篇七

近期民技军用式后勤保障体系的提出,要求以最优、最大限度的民间科技手段不断改进部队保障装备。所谓“民技军用”,是将相对成熟的民用高新技术成果经过适应性开发研究,移植于武器装备研制和国防科研生产的一种工程技术开发活动,这对于充分利用社会资源、逐步建立适应武器装备建设需要和市场经济发展要求的军品市场监管体系,具有重要的现实意义。随着科学技术的不断进步、装备的日益复杂化以及战争条件的日趋严酷,对后勤保障起关键作用的野战方舱的性能要求也越来越高,野战方舱不仅要具有较强的环境适应能力,较高的电磁屏蔽性能,还应具有稳定、方便、可靠的电源系统[1,2]。

我国可再生能源的储备十分丰富,其中以太阳能和风能尤为突出。风能和太阳能具有天然的互补性:白天日照强,太阳能丰富;晚上风多,风能充足。夏日和冬日风能和太阳能也有很好的互补效果,风力太阳能互补系统的特点使它能成为持续稳定供电的电源[3,4]。由于野战方舱的工作地区基本没有电力供应,本文设计的风光互补智能投切电网系统可以作为独立的电源系统应用于野战方舱中,因此具有相当大的优势。它不但能达到大量节能的目标,并且安装程序大大简化,应用和维护都方便许多,能够满足后勤保障快速稳定的供电要求。

1军民融合式后勤保障体系

军民融合式后勤保障体系既以科学发展观为指导,以使命任务为牵引,以提高遂行多样化军事任务综合保障能力为目标,客观上要求必须摒弃传统的思想框架,把战区军民融合式后勤保障体系发展目标定位于“应对多种安全威胁,支援保障遂行多样化军事任务”上,统筹各项能力建设,提升整体保障功能[5]。

军民融合式后勤保障体系提出的加强后勤核心保障能力建设,要求保障军队遂行作战任务应具备的综合能力,其中包括战争方式的军事行动和非战争方式的军事行动,这就要求从优化保障体制、改进保障装备、提高指挥自动化建设水平等方面入手,以提高保障效益,增强保障能力。

2野战方舱

野战方舱在后勤核心能力保障建设中发挥着极其重要的作用,主要包括方舱医院,方舱指挥中心,方舱厨房等[6]。目前我国野战方舱的电源系统主要是利用电站方舱或发电挂车发电的方式供电,该供电方式供电系统铺设范围大、噪声大,而且油耗量大,需要频繁加油,这些缺点限制了野战方舱更好的应用[7,8,9]。本文提出的风光互补智能投切电网系统主要采用风光互补的供电方式,只有在极少数情况下使用发电机组供电,并且克服了有光没有风,有风没有光的情况,能够确保在任何复杂条件下都能保证野战方舱的正常稳定供电。

3野战方舱风光互补智能投切电网系统总体设计

3.1 系统构成介绍

野战方舱风光互补智能投切电网系统由四大部分组成:

(1) 太阳能发电系统

太阳能发电系统主要采用太阳能帐篷的方式,代替传统的太阳能电池板,太阳能帐篷即在野战方舱的外壁涂上一层太阳电池材料制成的薄膜,并且太阳电池表面设有一层透明防护层,有效保护薄膜太阳电池不易划伤。光伏阵列将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电,通过变换器为各部分负载供电[10]。其主要作用是有阳光的情况下,向野战方舱提供电力,并将多余电能储存在蓄电池里。太阳能发电部分原理框图如图1所示。

图1中,太阳电池方阵的支路通过二极管、充电控制器并联向蓄电池和负载供电。其中充电控制器采用增量控制太阳电池方阵对蓄电池的充电过程,当蓄电池组的充电电压到达设定的最高充电电压时,自动依次切断一个或数个方阵供电支路,以限制蓄电池的充电电压继续增长,确保蓄电池的寿命,并最大限度地利用和储存太阳电池发出的电能。

(2) 风力发电系统

风力发电系统的风轮通过可折叠的支架安装在野战方舱顶部,使用时打开支架现场安装风轮,并调节风轮的方向,不影响野战方舱的运输。风轮将风能通过空气动力学原理转换成机械能,驱动永磁同步发电机发出与风速成一定关系的交流电,经整流变成直流电,并经过变换器为各部分负载供电。风力发电机的设计功率可根据野战方舱供电容量的实际需要进行调整。其主要作用是有风情况下,向野战方舱提供电力,并将多余电能储存在蓄电池里。

(3) 蓄电池系统

蓄电池系统主要由铅酸蓄电池组组成,其主要作用是平时将多余的风电或光电储存,在即无风,又无光的情况下,向野战方舱提供电力。由于野战方舱的工作环境比较复杂,且存在一定的不确定性,因此在本系统中选用了抗高低温特性好的蓄电池,同时选配的蓄电池组除具有储能的功能外,还具有一定的稳压功能。

(4) 柴油机组供电部分

当连续多日无太阳、无风且蓄电池系统储存的电能已经无法继续支持负载的正常工作时,可启动备用柴油机组供电部分为负载供电。该系统利用原有的野战方舱的柴油机组供电部分,未作功能性改动。

3.2 系统基本原理

本文设计的风光互补供电系统包括风力发电机、太阳能电池组件阵列、AC整流滤波模块、电压调节控制器、逆变器、旁路切换单元、蓄电池组及输入/输出配电等。其供电原理如下:

(1) 白天:太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后,其中一部分通过电压调节控制器、主控制单元及逆变器转化为交流电供负载使用,另一部分对蓄电池进行充电,当阳光或风能不足时,蓄电池的电能通过逆变器转化为交流电供交流负载使用。供电系统充分利用了太阳能资源和风力资源并使这两种资源相互补充,有效利用。

(2) 夜间:夜间光伏阵列无功率输出,此时采用风力发电机组和蓄电池组共同供电的模式。系统自动检测分析负载功率的大小,而采用风力发电经逆变器供电和蓄电池经逆变器供电,即AC-DC-AC和PV-DC-AC,两种模式复合供电,系统根据风力发电系统的发电功率来确定两者供电的比例,此模式能够充分利用风力发电系统发电,比常规的风力发电系统中风机的利用率提高10%～20%。

风光互补智能投切电网供电系统的系统结构图如图2所示。

另外,本系统利用电压调节控制器,控制DC母线电压、检测分析负载功率,AC整流功率,光伏阵列功率及风机发电功率等来调节供电方式,此种控制模式精确度高,系统稳定性强,运行效果良好。同时,系统关键设备都设有过载、过压、限流、短路、防反、防雷和接地等各种保护功能和措施,大大提高了系统运行的安全性。

4系统对控制及主电路结构的保护

4.1 正弦波逆变器主电路拓朴结构和驱动电路

正弦波逆变器的作用是把两个发电系统产生的电能转换成同频同相的正弦波交流电,两者之间的能量的传递,可以有多种方法和形式。本设计采用可调度式并网逆变器,将太阳能电池组件产生的直流电能和风力发电组件产生的交流电能进行逆变输送给负载,然后根据负载的需要进行调节,从而提高电能的使用率。本系统设计为一个具有三级变换的系统。功率输入一级是将组件输出电压变换成逆变输入电压。中间级包括一个DC-AC逆变环节,功率器件采用MOSFET,工作频率为50 kHz。逆变输出的电压直接向负载供电且为蓄电池充电,该级的变换效率可达到80%。

功率输出级仍然为一个DC-AC逆变器,该逆变器具有两种运行模式,当太阳能组件或者风力发电组件正常发电时优先向负载供电,剩余电能向蓄电池充电。当没有风时,太阳能组件独立供电,当没有阳光时,风力发电系统作为独立供电系统为负载提供电能。两种工作方式的切换由一个开关控制。

4.2 大容量正弦波逆变和保护技术

SPWM正弦脉宽调制波形产生电路是整个系统设计的一个关键环节,尤其是其开关频率fs的高低对输出波形失真度和输出正弦化滤波器影响较大。本系统采用SPWM波形产生专用芯片输出单相50 Hz正弦脉宽调制脉冲,倒相后形成两路相位相反的脉冲,去控制逆变全桥的四个功率器件导通和截止,将SPWM信号进行功率放大。由于半导体功率器件(GTR,MOSFET,IGBT等)工作在前后沿陡峭的开关状态,可使其自身功耗大大减小,从而提高逆变器整机的转换效率,所以大功率逆变器均采用SPWM正弦脉宽调制信号。在本系统中,为了能够使得并网电流和电压严格保持同频和同相(在补偿无功功率时,需要有一定的相位差),使用先进的频率锁相环技术,从而有效地将各种可再生能源转化同频同相的交流电流馈送给负载,达到建立分布式供电系统的目的。

为了防止逆变器输出过载产生大电流而烧坏功率开关器件,本系统设计有直流过流、交流过流、过热、欠压等多种保护电路,一旦出现故障,首先通过硬件保护电路快速封锁所有驱动信号的输出;同时通过软件在中断程序中也封锁所有驱动信号,并显示错误信息。当故障排除后,手动复位,系统才能重新启动。

4.3 计算机智能监控和多路模拟参量数据采集、存储和处理技术

为了对风光互补智能发电系统的运行状况和故障状况进行详细的分析,在可调度式风光互补并网发电系统中,还需要根据负荷的情况,人为或自动决定并网的有功功率和无功功率的大小。这些功能的实现建立在数据采集和监控的基础之上。为此,开发出基于PC机的光伏并网发电系统的数据采集和监控软件包。快速采集风力发电机、太阳电池、蓄电池等器件的关键工作参数和太阳能辐射量、环境温度等气象参数,并且随时将采集的数据存入装置内的大容量非易失性数据存储器,最大容量可存入十年的工作数据。根据需要,还可随机将记录的数据打印出来,供设计或使用部门进行系统定量分析及资料存档,为今后风光互补发电系统更合理的设计提供宝贵的科学依据。同时经常定期分析检查采集的工作数据,还可及时发现系统各部件的故障或隐患,随时排除故障或调整设计参数,以保证电源系统稳定可靠工作并有效地延长发电系统的工作寿命。

5结论

本文提出了野战方舱智能电源系统,论述了其系统结构和运行控制策略。风力发电和太阳能发电是清洁的可再生能源,符合全世界发展的方向,风光互补电源系统实现了对自然资源的合理利用,而风光互补的技术方案保证了系统的高可靠性。野战方舱风光互补智能投切电网不仅在理论上有保证,而且在实际应用中也得到了检验。本系统能够适应野战方舱工作环境复杂、工作地点不确定、要求快速供电等情况,很好地解决了野战方舱展开区域广、供电系统铺设范围大的问题,大大提高了军队的后勤保障能力,是保障手段科技化的充分体现, 这对于促进军民融合式后勤保障体系的发展、提高军队的核心保障能力方面具有重要的意义。

参考文献

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[2]徐新喜.外军方舱式机动医院的发展和我军机动医疗系统装备的现状[J].医疗卫生装备,1997(4):21-23.

[3]朱振宇.通信基站风光互补供电系统设计[J].浙江水利水电专科学校学报,2009(4):38-39.

[4]童加斌.3G基站3KW风光发电互补型独立供电系统的设计[J].襄樊职业技术学院学报,2010(1):23-24.

[5]戴焕.以科学思路推进某战区军民融合式后勤保障体系建设[J].中国国防报,2011(4):70-72.

[6]伍斌俊.直升机野外机动维修的一种新装备(检测方舱)的研究[J].直升机技术,1994(1):24-25.

[7]王军,郑晓东,杨清潮,等.野战方舱医院供电系统展开应用[J].医疗卫生装备,2009,29(9):65-66.

[8]姜应战,刘金辉,姜海龙,等.某型机动保障方舱电源系统检测装置的设计与实现[J].电力系统船电技术,2010(11):35-38.

[9]向传勇,王庆辉.军用方舱的改进设想[J].零八一科技,2009(2):44-46.

8.开关电源可靠性设计研究[转帖] 开关电源可靠性设计研究 篇八

摘 要：随着生活水平的不断提高，人们在物质生活得到极大满足的同时，却在精神层面有了很大的缺失，因此人们开始了探索追求精神生活的新路程，越来越多的传统文化元素备受人们的追崇。“禅”文化作为一种新时代的设计元素在现代产品设计中被阐释的非常完美，成功地将“禅”所传达出来的简朴、安静、平淡、随和的语意内涵运用其中。本文以产品语意学理论为基础，以“禅”文化作为符号元素，分析了其在产品设计中的应用，总结出“禅文化”在产品设计中的一般规律，进而选取“开关语意”对其进行设计研究。总结出开关语意研究和“禅”文化台灯中蕴含的思想以及对现代设计的启示。

关键词：产品语意学；“开关”；“禅”；台灯

1 产品语意学概述

产品语意学是以符号学理论为基础的具有外延与内涵双重意义的理论学科。它产生于20世纪80年代的工业设计界，它作为人类在特定环境中与产品进行互动的载体功能，目的是通过符号向人们传达出产品所具有的使用功能，属性特征和象征内涵，文化情怀。产品语意学通过人类文化中的符号赋予了产品更多的内涵，[1]在人们有意识的情感基础之上，从中感受到社会文化和个人的意识形态。

2 中国“禅”文化背景介绍

公元六、七世纪，唐代是中国佛教的辉煌时期，唐玄奘在印度举办无遮大会上，辩论获胜，把他在印度各国学习到的佛教及佛经带回大唐，专志于译大乘经典为标志，使世界大乘佛教的中心逐渐转移到中土，并在中国文化圈内广大地域扩散和传播，使中国大乘佛教于隋唐臻于全盛。当时八宗竞秀，高僧百出如林，其中影响最大的是禅宗。[2] “禅”是要看透人生的真相，寻找生命的真谛，快乐自在的活过一生，是人们对精神境界最高的追求，它给我们树立了积极的人生观。“禅文化”作为一种中国古代传统文化元素延续至今，不仅吸引了大批现代都市人对空明寂静的向往，还令不少设计师心驰神往。

3 “禅”文化在产品设计中的应用分析

3.1 “禅”文化在卫浴产品设计中的应用

2011年4月份，在中央电视台演播厅举办的代表中国工业设计最高水平200年中国创新设计红星颁奖晚会中，一组卫浴产品成功摘得了最佳奖的桂冠——“禅·静”电子面盆龙头，它以出色的造型设计获得了所有人的好评。“禅·静”电子面盆龙头运用了“禅”文化元素，以其简约的方形造型，配置以控制面板以及不对称的设计，映照了在不对称中求得平衡，在静中求动的“禅者静也”佛家学说。在技术方面，由“灵慧芯”芯片控制出水方式与水温高低，让使用者操作自如。[3]它成功地实现了将“禅”这种无形的心境融合到了高端的电子科技中，向人们传达出一种清淡高远，静如止水的心境，很好地迎合了卫浴产品的自身特点。

3.2 “禅文化”在笔座设计中的应用

“禅”是一种似山非山，似水非水，回归自然的心性，是一种参不透，摸不着的境界。由台湾设计品牌KOAN+所推出的“之间Between笔座”，[4]便是采用了“禅”文化的这种意境，它虚无缥缈的外形设计，没办法让人参透它的用途和目的。这种超然物外的心境便是KOAN+所追求的品牌风格。

“禅”文化是一种崇高的精神境界与人生状态，其返璞归真的自然理念影响着设计师的设计风格特征，在这种质朴的“自然之道”影响下，设计出来的产品不再是一些没有生命力的物品，而是被设计师赋予了更多人生内涵与精神状态的美好寄托。通过在产品设计中的应用，深层次地折射出了现代人对精神生活的追求。

4 “开关”语意在“禅”文化台灯设计中的应用研究

“开关”语意“禅”文化台灯设计内容：

在产品语意学中，传统的台灯“开关”代表的是产品显在的功能形式与操作方式，是一种形式单一的外延意义，并没有传达出更加多维的内涵意义。因此，在台灯“开关”的设计中，将其进行内涵意义上的延伸，会使其增添更多的附加价值。

第一，形制符号分析。禅石作为空灵圆融的境界，在感情上总是平静恬淡的。其造型早已在人们心中留下了深刻的印象，而台灯其作为人们每天晚上看书与学习的家用电器，令人感到亲切，舒适，安静是非常重要。此次设计造型选用禅石作为语意符号，经过抽象变化，使人容易感到自然美观的存在。在构思这一设计时，采用此造型可以使其作为一种照明工具的同时又起到装饰作用，而且还可以借助其本身的曲面造型和禅石的意境影响，使人有一种清旷闲适的境界。

第二，材质符号分析。材料是一切形态存在的物质基础，材料质感与产品的设计密切相关。设计材料以其自身固有的特质和质感特征传达给我们的不同信息与判断，暗示给我们不同的情感内涵。通过对常见的一些性能较好的材料进行综合分析，此设计各部分的材料分别为：灯罩使用玻璃，底座使用实木。由木头的原始，自然性能，使展台灯传达出一种“天人合一”的造物思想。

第三，开关语意功能分析。消费者对于产品的理解通常包括两个部分：功能性、实用性。功能性是纯粹的功能，实用性是消费者能够获得所提供功能的可能性。如果消费者很容易使用上这些附加功能，设计者也会有所收益。

“开关”作为人们操作产品开启与关闭的使用功能，在众多产品设计中，形式却展现的很单一，消费者在使用过程中经常因为与产品之间没有良好的情感互动而感到厌烦，久而久之不再使用该产品，台灯亦是如此。本次设计对这一点格外重视，利用语意符号“木鱼”，台灯“开关”打破了传统按键开关的方式，运用了木鱼棒的插入以及抽出决定了这盏台灯的开关状态，将外延与内涵很好地结合起来，在这一过程中情趣化体现的十分完美，成功地诠释了产品语意学所宣扬的实现符号使产品具有了更多的内涵意义。

5 结语

从自然界中寻找灵感是设计的源泉，而从身边熟悉的事物寻找灵感也是物质转化为设计的过程，本文以产品语意学为理论基础，从佛教中的“禅”文化思想展开设计研究。首先对产品语意学概念进行解读，进而介绍“禅文化”背景，在产品设计中的应用等，并试图将两者结合，将“禅”语意符号进行内涵分析。最终将“开关语意”的“禅”文化台灯进行语意分析，总结出其所传达出的传统造物设计思想及其语意传达的过程和特点。

参考文献：

[1]曹建中，祝莹.产品语意及传达[M].合肥：合肥工业大学出版社，2011.

[2]季羡林.文化与禅[M].北京：中国言实出版社，2006.

[3]http：//www.jiancai.com/info/detail/67-213708.html[DB/OL].中国卫浴网，2011.

[4][DB/OL]http：//chuangyi.xdnice.com/ChuangYi/2013-09/3415.htm.

作者简介：张家祺 （1963—），男，天津人，河北工业大学建筑与艺术设计学院副教授，研究方向：产品设计及理论。