工程師黃明星 發表於 2018-06-28 20:34:00
70年代中期以來，無工頻變壓器開關電源技術風靡歐、美、日等世界各國。特別是90年代以來，通信業的迅速發展極大地推動了開關電源的發展。最初的開關電源開關頻率在20kHz左右，略高於最高音頻，不會給人們帶來討厭的噪聲。隨著電力電子技術的迅速發展，高頻化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信電源領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流/直流（DC/DC）變換器稱為二次電源。
在傳統的電源設計中，從用戶需求的提出到實際電路的設計定型要經過一個較長的過程。為了解決傳統的電源設計周期長的缺點，美國（MICROSIM）公司和國家半導體公司（NS）合作開發了一套新穎的網上電源設計系統（Websim），為我們提供了一個比較理想的二次電源設計方法。
2傳統的電源設計方法與基於Internet電源設計方法的比較 2.1通信用高頻開關電源通信電源是將市電提供的單相或三相交流電壓變換成標稱值為24V至48V的直流電源。目前在程控交換機中，傳統的相控式穩壓電源已被高頻開關電源取代。高頻開關電源（也稱為開關型整流器SMR）通常使用大功率高頻開關器件MOSFET或IGBT，開關頻率一般控制在50～100kHz範圍內，初步實現高效率和小型化。［3］近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量已從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
通信設備中所用集成電路的種類繁多，其要求的供電電壓也各不相同。在通信供電系統中採用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊，從中間母線電壓（一般為24V至48V直流）變換成所需的各種直流電壓。這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增容非常方便，一般都可直接裝在標準控制板上。對二次電源的要求是高功率密度，因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。［2］
開關電源中通過DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓。目前，通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊採用高頻PWM技術，開關頻率一般在500kHz以下，功率密度為5W～20W/in3。且用直流斬波器代替變阻器可節約電能（20～30）％。在開關電源中直流斬波器不僅起調壓的作用，同時還起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。隨著大規模集成電路的發展，要求電源模塊進一步小型化，因此就要不斷提高開關頻率和採用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研製生產了採用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有了較大幅度的提高。［4］
2.2網上電源設計與傳統的電源設計方法的比較 （1）傳統的電源設計表1確認框傳統的電源設計都是先根據所需的電路參數設計電路結構和選取電路元器件參數；然後在計算機上用Pspice或EleCTRonicworkbench等CAD軟體進行仿真，得到輸入輸出波形，再進行分析。這種方法比較直觀，但是也有其固有的缺點，如：
①設計周期比較長，稍為複雜一些、功率容量大一些的開關電源，從元器件選擇、參數確定，計算機仿真、調試到完成設計投入生產，一般要經過數個星期甚至數月的時間；
②CAD軟體的元件庫更新速度不夠，當前電子技術迅猛發展，而一般的仿真軟體都有一定的滯後；
③CAD軟體使用不夠方便，一般的電路設計軟體的使用都比較複雜，對使用者的要求比較高，仿真過程中稍不注意就會出現不收斂等問題；
④如果電源設計者的計算機配置不夠高，進行一個仿真就需要比較長的時間。
（2）基於Internet的電源設計方法及其特點MICROSIM與NS合作，開發了網上電源設計系統（Websim），它是國際上半導體工業的第一個用於電源管理設計的綜合網上資源，該設計系統的功能包括元器件選擇、電路設計、演示板定購和在線樣本仿真，其優點是：
①設計周期短由於Websim是在輸入電壓要求之後直接給出電路，省去了用戶自己設計電路拓撲和計算電路參數的環節，並且只需在所給的典型應用電路上稍作改動即可得到所需的電路，因此使得電源設計可以在很短時間內完成；
②節約投資用戶可以使用網站上提供的超級計算機和仿真軟體完成電源的設計工作，消除了對昂貴軟體和工作站的依賴。既保證了計算的精度，也節約了設計的成本；
③簡便直觀Websim的使用對用戶沒有很高的要求，使用者只需對開關電源電路有一定的認識、各主要節點的波形有一定的概念，就可以設計符合要求的電路，不需對複雜的仿真軟體有很深的認識。
3Webench工具軟體及其應用示範Webench是一套電源設計工程師使用的工具，具有Websim功能，它提供了相互作用的工具，能夠選擇、仿真和定購樣品，實現省時的供電設計。Websim是一個瀏覽器式的仿真工具。它能夠實現如下功能：
（1）供電線路性能的實時反饋；
（2）可以得到穩態（SteadyState）、起動（Start
Up）、線路瞬時響應（LineTransientResponse）、負載瞬時響應（LoadTransientResponse）、環路增益檢測（LooPGAinMeasurement）和趨勢預測；
（3）測量數據處理和波形顯示。
以一個輸入為最小20V，最大22V；輸出為＋5V（1A）、＋10V（0.5A）、－15V（0.2A）的三輸出DC/DC變換器為例，給出典型的設計步驟。
3.1從Power.national.com獲取信息首先在瀏覽器的地址欄中鍵入：Http://power.national.com選擇Webench。假如用戶是第一次登陸，系統會要求輸入一個電子郵箱地址作為帳號，並發出一封確認信，通過了身份確認後，就可以使用該網站了。網站會給每個正式用戶分配一個「MyWebench」的磁碟空間，用於存儲個人仿真、設計材料單和在線元器件分布和演示板。以後用戶可以通過個人化「MyACCount」，獲取個人帳號的所有信息，如ChangePassword等功能。
3.2用solutionselector選擇元器件（1）正確登陸Webench後，會有一個對話框，要求用戶在各欄上設定開關電源的各項設計要求值，包括設定電源的輸入電壓最大值和最小值、環境溫度變化範圍、開關電源的各組輸出電壓和電流值等。本例要求是設計一個單輸入，三輸出的Flybach型開關電源。
（2）設計要求提交後，會自動列出NS所生產的、能夠構成符合輸出要求的各種PWM集成晶片和設計要求的確認框，如表1所示。
圖1LM2585內部框圖（此圖由MICROSIM網站下載）
圖2三路輸出電路圖（此圖由MICROSIM網站下載，未做格式處理）
通過從該網站上得到的LM2585的Datasheet，可以知道LM2585的內部構造如圖1所示，電路結構符合設計的要求。於是我們選擇LM2585，提交後會出現如表2所示對話框。
選擇三輸出，＋（Out1），＋（Out2），－（Out3）的電路，提交後就會有如圖2的電路給出。在電路中，元器件的參數可以改變以達到所需的電路性能。
3.3電路參數設定後，就可以從ControlPanel中選擇要測量的電路狀態進行仿真了。仿真結束後，只需將滑鼠移到可得到該點電壓波形；將滑鼠移到可得到該點電流波形。電路元器件參數可以隨時改變以達到所需的電路性能。如果性能符合要求，即可以確定電路的參數，進行實際的研究、試驗後，最終形成產品。
在圖2所示的電路中，選擇電路的穩態（SteadyState）進行仿真。結束後，我們測量輸出電壓（Vout1，Vout2，Vout3），得到如圖3的輸出波形，為進一其測試值如表3所示，可知滿足了設計要求。
圖3三路輸出穩態電壓波形步分析輸出電壓的平均值和紋波提供依據。
表3輸出測試值
測試內容最小值（V）最大值（V）峰峰值（V）平均值（V）
Vout14.994775.028210.0334401135.009251
Vout29.802889.924260.121379859.865706
Vout3－15.0283－14.96730.06099987－14.99307
4小結由上面的分析我們可以看出，本文所敘述的這種網上電源設計與傳統的電源設計相比較，有著顯著的優點。這種電源設計也有其缺點，即元器件的選擇有較大的限制。但是其將傳統的電源設計與Internet結合的思想卻是值得借鑑的。相信在不久的將來，隨著越來越多的集成晶片廠商採用這種方式進行電路設計，必將對廣大用戶的設計和生產帶來極大的方便。
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