开关电源高功率时代危中觅机

【开心一刻】儿子两岁了,特爱听我给他讲故事。有次又缠着我讲故事给他听。我说:“妈妈今儿个给你讲个卖火柴的小女孩好不好?”儿子天真地问:“妈妈什么是火柴呀?”家里一时也没有火柴,我也不知道怎么解释,就顿了顿说:“那妈妈还是给你讲个卖打火机的小女孩吧。”在一旁看着电视喝着茶的老公一下子喷了!    

    【家电配件早九点带您看行业】网友朋友们,大家上午好!!今天是2012年2月10日,家电配件早九点时间,今天您可以了解到开关电源产业发展概况,以下是详细内容:

 电子设备特别是计算机的不断小型化,要求供电电源的体积随之小型化,因而开关电源开始替代以笨重的工频变压器为特征的线性稳压电源,同时电源效率得到明显提高。电源体积的减小意味着散热能力的变差,因而要求电源的功耗变小,即在输出功率不变的前提下,效率必须提高。

    高效率功率变换:开关电源设计追求的目标

    相同体积的电源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的输出功率,必须提高效率,同时,高的电源效率可以有效地减小功率半导体器件的应力,有利于提高其可靠性。

    开关电源的损耗主要为:无源元件损耗和有源元件损耗

    开关损耗一直困惑着开关电源设计者,由于功率半导体器件在开关过程中,器件上同时存在电流、电压,因而不可避免地存在开关损耗,如果开关电源中开关管和输出整流二极管能实现零电压开关或零电流开关,则其效率可以明显提高。

    开关过程引起的开关损耗大致会占总输入功率的5%~10%,大幅度降低或消除这一损耗可使开关电源的效率提高5%~10%。最有效的方法是软开关技术或零电压开关或零电流开关技术。

    在众多软开关的方案中,比较实用的有大功率的全桥变换器,通常采用移相零电压开关的控制方式,这种控制方式要求在初级侧需附加一续流电感以确保开关管在零电压状态下导通,由于较大的有效值电流流过,这个附加电感将发热(尽管比RC缓冲电路小得多),因而在低压功率变换中并不采用。

    无源无损耗缓冲电路的特点是不破坏常规PWM控制方式,设计/调试简单。尽管如此,无源无损耗缓冲电路和准谐振/零电压开关工作方式也存在一些缺点,如仅能实现关断软开关以及在反激式变换器中不太适于大负载范围变化。软开关中有源箝位是提高单管正/反激变换器效率的有效方法,最初的专利限制现在已失效,可以普遍应用。

    功率半导体器件的进步:高效率功率变换的根本

    功率半导体器件的进步特别是PowerMOSFET的进步引发出功率变换的一系列的进步:PowerMOSFET的极快的开关速度,使开关电源的开关频率从双极晶体管的20kHz提高到100kHz以上,有效地减小了无源储能元件(电感、电容)的体积。低压PowerMOSFET使低压同步整流成为现实,器件的导通电压从肖特基二极管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低压整流器的效率至少提高了10%。高压PowerMOSFET的导通压降和开关特性的改善,提高了开关电源的初级效率。功率半导体器件的功耗的降低也使散热器和整机的体积减小。

    电源界有一个不成文的观点:不稳压的比稳压的效率高、不隔离的比隔离的效率高、窄范围输入电压的比宽范围输入的效率高。Vicor的48V输入电源模块的效率达到97%。交流输入开关电源需要功率因数校正,由于功率因数校正已具有稳压功能,在对输出纹波要求不高的应用(如输出接有蓄电池或超级电容器),可以采用功率因数校正加不调节的隔离变换器电路拓扑,国外在1986年已有产品,效率到达93%以上。

    在DC48V输入电压的电源模块中,效率在93%以上的模块几乎无一例外地采用前级稳压、后级不调节隔离的方案,并且将第一级的输出电容和第二级的输出电感取消,简化了电路结构。

国内的很多开关电源在设计上对结构设计的关注相对不够,有时会出现电源内的各部分温升不均,有的地方过热,有的地方几乎没有温升,甚至PCB上产生较大的损耗。一个好的开关电源应该是产生热的元件均匀分布在PCB上,而且发热元件的温升基本一致,PCB应有尽可能小的损耗,这在模块电源和塑料外壳的Adapter的设计中尤为重要。

    效率提高的同时:电源的电磁干扰得到减小

    在开关电源的各种损耗中,电磁干扰所产生的损耗,在电源效率高到一定水平后将不容忽视。一方面电磁干扰本身消耗能量,特别是电源效率的提高往往需要软开关技术或零电压开关或零电流开关技术(无论是专门设置还是电路本身固有),应用这些技术减缓了开关过程的电压、电流的变化速率或消除了开关过程,电磁干扰变得很小,不需要像常规开关电源电路中需要专门设置抑制电磁干扰的电路(这个电路是存在损耗的)。

    开关电源进入:高效率功率变换时代

    仔细分析,高效率功率变换看起来是很简单的,甚至有些电路拓扑在20多年前就有介绍(如两级变换拓扑结构,早在UNITRODE82/83年数据手册的ApplicationNote的AN19中就有介绍、TEK2235示波器中也采用了这种功率变换拓扑结构),但受当时的技术水平,特别是人们认识的限制(总是认为两级变换的效率比单级低,而事实上两级变换可以实现事实上的固有的零电压开关,单级变换则需要特殊的附加电路和控制方式)而并没有得到承认和应用。器件的性能和人们认识的提高已经使两级变换作为高效率功率变换的主要方式之一。  

    结语

    如今对于开关电源设计工程师和制造厂商而言,先进的功率半导体器件可以方便得到,先进的电路拓扑和控制方式已经开始应用,他们所剩下的就是想办法提高自己的技术水平,同时创造更好的应用机会和市场份额。

凡是做过开发工作的人员都有这样的经历,测试开关电源或在实验中有听到类似产品打高压不良的漏电声响或高压拉弧的声音不请自来:其声响或大或小,或时有时无;其韵律或深沉或刺耳,或变化无常者皆有。

    1、变压器(Transformer)浸漆不良:包括未含浸凡立水(Varnish)。啸叫并引起波形有尖刺,但一般带载能力正常,特别说明:输出功率越大者啸叫越甚之,小功率者则表现不一定明显。本人曾在一款72W的充电器产品中就有过带载不良的经验,并在此产品中发现对磁芯的材质有着严格的要求。(此款产品客户要求较为严格)补充一点,当变压器的设计欠佳也有可能工作时振动产生异响。

    2、PWMIC接地走线失误:通常产品表现为会有部分能正常工作,但有部分产品却无法带载并有可能无法起振的故障,特别是应用某些低功耗IC时,更有可能无法正常工作。本人曾用过SG6848试板,由于当初没有透彻了解IC的性能,凭着经验便匆匆layout,结果试验时竟然不能做宽电压测试。悲哀呀!

    3、光耦(OptoCoupler)工作电流点走线失误:当光耦的工作电流电阻的位置连接在次级滤波电容之前时也会有啸叫的可能,特别是当带载越多时更甚。

    4、基准稳压(Regulator)ICTL431的接地线失误:同样的次级的基准稳压IC的接地和初级IC的接地一样有着类似的要求,那就是都不能直接和变压器的冷地热地相连接。如果连在一起的后果就是带载能力下降并且啸叫声和输出功率的大小呈正比。当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。同时,输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻的频率范围,发出尖锐的高频“哨叫”。此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。

    空载,或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,开关变压器同样工作在超载状态,同样非常危险。针对此问题,可通过在输出端预置假负载的方法解决,但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时,变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到你的1。2绕组。这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时,那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道,人的听觉范围是20--20KHZ。所以我们在设计电路时,一般都加上选频回路。以滤除低频成份。从你的原理图来看,你最好是在反馈回路上加一个带通电路,以防止低频自激。或者是将你的开关电源做成固定频率的即可。

大功率开关电源短路啸叫

    相信大家遇到过这种情况,开关电源在满载后突然将电源短路测试,有时候会听到电源有啸叫的情况;或者是在设置电流保护时,当电流调试到某一段位,会有啸叫,其啸叫的声音抑扬顿挫,甚是烦人,究其原因主要为以下:

    当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断,在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。同时,输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻的频率范围,发出尖锐的高频“哨叫”。此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。空载,或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,开关变压器同样工作在超载状态,同样非常危险。

    针对此问题,可通过在输出端预置假负载的方法解决,但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时,变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到你的1。2绕组。这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时,那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道,人的听觉范围是20--20KHZ。所以我们在设计电路时,一般都加上选频回路。以滤除低频成份。从你的原理图来看,你最好是在反馈回路上加一个带通电路,以防止低频自激。或者是将你的开关电源做成固定频率的即可。

2011年,全球经济风起云涌,随着欧洲主权债务危机的蔓延和美国经济陷入高失业、高负债的困境,世界经济复苏的不稳定性、不确定性明显上升。国内方面,尽管整体经济继续保持平稳较快增长的运行态势,但是经济增长速度逐季回落,经济发展中不平衡、不协调、不可持续等问题仍然突出。近期召开的中央工作会议上提出,实现经济发展“稳中求进”成为明年经济工作的重中之重。2012可谓是充满危机与挑战的一年。如何“危”中觅“机”,实现“稳中求进“的增长态势,是上至整个国家,小到每个企业都在思考的问题,于我们电源行业来说同样如此。

    2012年国内外经济环境严峻    

    2011年并不是一个轻松的年份,2008年由华尔街掀起的金融海啸余波未平,发源于地中海的欧债危机又平起波澜。全球经济从2008年起一直未能走出衰退的阴影。为了挽救下滑的经济,各国都出台了大规模的经济刺激计划,其中中国的“4万亿”经济刺激计划最引人瞩目。然而,三年过去了,中国当下的经济形势却不容乐观。

    过去一年,中国经济增速一直持续回落,从一季度的9.7%回落到三季度的9.1%,预计四季度经济增速将低于9%。另一方面,当前我国经济发展中不平衡、不协调、不可持续的矛盾和问题仍很突出,经济增长下行压力和物价上涨压力并存,部分企业生产经营困难,节能减排形势严峻,经济金融等领域也存在一些不容忽视的潜在风险。

    国际环境方面,主权债务危机不断升级加大了世界经济复苏的艰巨性和复杂性。美国经济增速虽略有回升,但失业率仍高达9%左右,房地产市场持续低迷,增长后劲不足。欧洲深受主权债务危机冲击,经济政策陷入两难境地,尽管近期欧盟就解决债务危机达成协议,但能否有效落实和成效还难以预料。日本经济已连续三个季度负增长,随着灾后重建全面铺开,经济有望出现一定恢复势头,但外部需求回调、日元持续升值,经济增长后劲依然不足。印度、巴西和俄罗斯等新兴经济体等面临通胀上升和经济增速回落的双重压力,今年以来所采取的紧缩政策使得经济增速持续回落。

    国际经济金融形势的复杂严峻状况,对我国经济运行的不利影响正逐步加深。2012年是“十二五”规划承上启下的重要一年,保持经济社会发展良好势头具有重要意义。面对如此复杂严峻的经济形势,2012年中国经济能否在内忧外患中杀出重围实现增长?

    实现经济发展“稳中求进” 

    作为最高级别的经济形势分析和决策会议,每年的中央经济工作会议都被视为判断当前经济形势和来年政策走向的风向标。2011年12月12日至14日召开的中央经济工作会议上,中央明确提出,“做好明年的经济工作,要坚持统筹兼顾,切实把握好各项目标、任务之间的平衡,稳中求进”。

    严峻形势下,“稳”字当头,稳中求进,成为明年经济工作基调。也只有坚持稳中求进,才能更好地应对国际金融危机等带来的困难和挑战,破解面临的复杂问题,巩固经济社会发展的良好势头,顺利推进“十二五”规划的实施。

    专家认为,保持明年宏观经济的“稳”,更多的是为了在发展方式转变、经济结构调整和深化改革方面的“进”。

2012年的重要任务之一就是要加快经济结构调整,促进经济自主协调发展。要着力推进产业结构优化升级,坚持创新驱动,培育发展战略性新兴产业,注重推动重大技术突破,注重增强核心竞争力。

    新兴产业政策频出助力工业转型

    在中央工作会议召开前后,多个产业规划密集出台,对装备制造行业、船舶行业、汽车行业、冶金和建材行业、石化行业、轻纺行业、包装行业、电子信息行业及建筑业等传统制造业都制订出了政策导向,成为年末市场上的一道风景。这些规划都有着相同的政策倾向性。都以“产业结构调整和经济转型”为主线,以改善民生、拉动内需、节能环保、低碳绿色、战略新兴为主方向。

    一年前,国务院发布了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,吹响了战略新兴产业的进攻号角。经过一年的调研和酝酿,各个新兴产业规划已经制定成熟并将陆续出台。同时,一系列围绕战略新兴产业的政策措施也将相继出台。   

    节能环保

    2011年12月20日,国务院公布了《国家环境保护“十二五”规划》。《环保规划》显示,“十二五”全社会环保投资需求约3.4万亿元,并且在未来节能减排的力度还将扩大。其中,优先实施8项环境保护重点工程,开展一批环境基础调查与试点示范,投资需求约1.5万亿元。

    《环保规划》中特别提到,要“实施区域大气污染物特别排放限值,对火电、钢铁、有色金属、石化、建材、化工等行业进行重点防控”,而且,要对“京津冀、长三角和珠三角等区域开展臭氧、细颗粒物(PM2.5)等污染物监测,开展区域联合执法检查”。《环保规划》要求,加强工业烟粉尘控制,推进燃煤电厂、水泥厂除尘设施改造,钢铁行业现役烧结(球团)设备要全部采用高效除尘器,加强工艺过程除尘设施建设。

    此次投资的3.4万亿元,较之前市场预期的3万亿提高了13%。专家认为:“十二五”期间国家通过加强节能环保倒逼产业转型提速的目标已经明确,随着国家对节能减排的投入,相关行业将迎来新的发展机遇。

    高端装备制造产业

    20011年11月16日,工信部装备司司长张相木在召开的机械工业经济形势报告会上表示,高端装备制造业“十二五”规划即将下发,重点方向包括航空装备、海洋工程装备、轨道交通装备、卫星制造装备及应用、智能制造装备等5个领域。其中,智能制造装备、卫星制造装备及应用方面的专项资金已得到落实。智能制造装备方面第一批19个项目,国家补贴资金9.5亿元已下达,比较重视的是带有首台首套性质的产品,国家补贴占产品销售价格的25%-30%,最高的达50%。支持的对象既有项目开发单位,更有首台(套)产品使用部门。对航空装备、海洋工程装备等的财政支持正在落实中。航空发动机也将列入高端装备制造业“十二五”规划相关重大专项规划中。

    在金融支持方面,工信部将组织地方企业申请创新产品,贷款可获得优惠。预计到2015年,我国智能装备产业销售收入将达到1万亿元,国民经济重点产业所需高端智能装备及基础制造装备国内市场占有率达到50%,2020年智能装备行业销售收入达到2万亿元,国内市场占有率达到70%。
 2012年的重要任务之一就是要加快经济结构调整,促进经济自主协调发展。要着力推进产业结构优化升级,坚持创新驱动,培育发展战略性新兴产业,注重推动重大技术突破,注重增强核心竞争力。   

    新能源产业

    2011年12月15日,国家能源局公布了一系列可再生能源“十二五”规划目标,到2015年风电将达1亿kW,年发电量1900亿kWh,其中海上风电500万kW;太阳能发电将达1500万kW,年发电量200亿kWh;加上生物质能、太阳能热利用以及核电等,2015年非化石能源开发总量将达到4.8亿吨标准煤。

    国家能源局副局长刘琦表示,“十二五”期间,将加强风电行业管理,狠抓风电并网和消纳工作,提高风电技术和质量要求,对风电实行年度开发计划管理,保证风电开发有序进行;完善光伏发电补贴政策,支持分布式光伏发电的应用;促进农村可再生能源利用,到2015年,在全国建设200个绿色能源示范县。

    新能源汽车  

    2011年10月1日起,我国实施新的节能汽车补贴政策;纳入补贴范围的节能汽车门槛提高,百公里平均油耗从6.9升降低到6.3升;补贴标准不变。2011年11月22日,科技部、发改委、财政部、工业和信息化部正式下发《关于进一步做好节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》,要求试点城市积极研究针对新能源汽车免除车牌拍卖、摇号、限行等限制措施,并出台停车费、电价、道路通行费等扶持政策。

    此前曝光的《节能与新能源汽车产业发展规划(2011-2020)》中提到,新能源汽车未来发展目标包括两大块:一是2015年前,将大力扶持节能与新能源汽车的关键零部件的发展,在电机、电池等核心零部件领域,力争形成(3~5)家动力电池、电机等关键零部件骨干企业,产业集中度超过60%;二是实现普通混合动力汽车的产业化,力争中、重度混合动力乘用车保有量达到100万辆以上。

    为了实现这个目标,《环保规划》建议政府财政投入1000亿元人民币,用于打造新能源汽车产业链,建议其中500亿元为节能与新能源汽车产业发展专项资金,重点支持关键技术研发和产业化;300亿元用于支持新能源汽车示范推广;200亿元用于推广混合动力汽车为重点的节能汽车;另外,100亿元用于扶持核心汽车零部件业发展,50亿元用于试点城市基础设施建设。

    新一代信息技术  

    在七大战略性新兴产业中,新一代信息技术被寄予促进工业化与信息化融合、培育自主创新能力的重任,在“调结构”的背景下,新一代信息技术更是成为带动产业升级转型的推动力。新一代信息技术产业将重点发展新一代移动通信、下一代互联网、三网融合、物联网、云计算、集成电路、新型显示、高端软件、高端服务器和信息服务。

    国家发改委副主任张晓强在第十三届中国国际高新技术成果交易会上谈到,“十二五”期间我国战略性新兴产业发展规划中安排了信息惠民工程,要着力把物联网、云计算和其他信息技术更好地应用到教育、卫生、社会保障等民生领域。

据悉,由工信部牵头制定的《物联网“十二五”发展规划》(下称《物联网规划》)将在近期出台,规划将从产业、财税等多方面,提升物联网产业发展水平。

    电源行业持续发展需“危”中觅“机”

    2008年国际金融危机发生以来的种种情况表明,我们面对的不是一场单纯的经济金融危机,而是多年积累的结构性问题的总爆发和连锁反应。

    为了摆脱危机的困扰,各国正纷纷谋划经济结构深度调整,实施以先进制造业为核心的“再工业化”。

    作为工业制造业的一部分,2011年我国电源产业的整体发展情况仍维持平稳增长局面,产业各项经济指标基本正常,但生产、出口、效益各方面均尚未恢复至危机前水平。与其它产业面临的情况一样,调结构、转方式、增强产业核心竞争力成为迫在眉睫的任务。

    展望2012年,我国电源产业既受到世界经济不振、外需疲软的影响,又有国内资源环境约束强化、结构调整压力加大的制约;既存在产业结构不合理、自主创新能力不强等长期没有得到解决的老问题,又面临生产经营综合成本上升、政策调整和市场变化等新情况;企业既面对生存的竞争挑战,又面临转型的发展压力。

    电源企业需对自身发展所面临的复杂形势有充分的认识,做到危中觅机、提前部署。

    一方面,企业需考虑如何调整贸易伙伴结构,减轻出口下滑带来的不利影响。同时,努力扩大国内市场需求,紧跟政策投资热点,重点关注国家大力扶持的新兴领域,并充分利用相关专项资金及各种扶持政策,支持新兴领域核心关键技术研发和产业化。

    另一方面,中西部地区部分中心城市,已加速成长为我国电子信息产业的区域新增长级。2012年,随着中部崛起、西部大开发等国家战略的持续推进,《国务院关于中西部地区承接产业转移的指导意见》的深入贯彻,以及中西部地区成本优势、资源优势、政策优势的日益凸显,西部地区将为电源行业带来更多的发展机遇。

    此外,电源产业应积极探索企业合作创新机制,加强大企业与中小企业间的联合与协作,推动形成密切合作的研发体系,提升产业链整体竞争力以应对未来面临的挑战。

 


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