开关电源模块的广泛应用促使市场竞争激烈

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    【家电配件下午茶带您看行业】网友朋友们,大家好,现在是2011年09月23日家电配件3点下午茶时间,今天您可以了解开关电源相关的行业信息,以下是详细内容:

  开关电源以其高效节能、体积小、重量轻等优点在MTD2002工业领域获得了广泛的应用,已成为工业领域重要的基础产品。目前大陆工业开关电源模块市场的主要企业多数是在20世纪90年代进入大陆市场,同时在设立工业开关电源模块生产工厂的外资品牌数量也逐渐增多,MTD2002市场竞争激烈。

    目前行业内对工业开关电源模块范围的界定并不一致,因此,行业企业对工业开关电源市场的认识也不尽相同。近期,在北京捷孚联合咨询有限公司(JFUnited)推出的《2009年大陆工业开关电源市场调查报告》中,该报告研究的“工业开关电源”指输出功率小于1,500W(包含1,500W),包括MTD2002单路和多路输出电压,用于机械、电力、轨道交通、冶金、石化、汽车、水泥、煤炭等工业领域(不包括通讯、医疗、LED、商用计算机、楼宇等领域)的开关电源产品(不包括模块电源)。在上述定义的基础上,捷孚联合(JFUnited)从开关电源市场的现状、应用行业的需求等两个方面的对大陆工业开关电源市场做了相应的研究分析。

    2008年开始工业开关电源模块市场增长减缓,2009年增速预计不足7%,市场前景短时间内较为迷茫,但后劲较足。

    2008年工业开关电源市场规模约为11.8亿元人民币。在2008年下半年之前,工业开关电源主要竞争厂商多数企业的销售增速较快,对工业开关电源市场的发展持乐观态度。但从2008年第三季度开始,受金融危机等大环境的影响,多数企业的增速放缓,部分企业出现负增长,大陆工业开关电源市场增长有较大的波动。2007-2008年工业开关电源市场增长为12.7%,较2007年的增速出现较大的回落。受此影响,工业开关电源市场的主要供应商认为金融环境的变化对开关电源市场发展影响较大,对市场前景的预期也倾向于保守,2009年的整体市场增长预期有大幅下降,不足7%;而2010年之后工业开关电源的发展趋势更是难以预计。

    虽然金融危机对工业开关电源模块市场造成了比较大的影响,但下游应用企业产业升级、新兴行业需求的带动以及国家政策的扶持等因素对大陆电源市场的发展起了积极的推动作用。因此,随着金融危机的缓解,大陆工业开关电源市场还会呈现较快的发展态势。

    工业开关电源市场集中度高,明纬、西门子成为市场竞争的焦点

    工业开关电源模块市场集中度较高,行业前10家企业所占市场份额高达76.1%。其中,市场份额最高的两家企业分别是明纬和西门子。明纬、西门子分别作为目前大陆工业开关电源市场中平板开关电源、导轨开关电源领域的代表性企业,成为工业开关电源企业竞争的核心。而其它主要企业除了与上述两家企业形成竞争外,也会因为企业业务组合、产品应用领域等因素在一些特定的场合形成激烈的竞争关系,如电力领域(德创、宇峰、三基等)、PLC配套领域(西门子、惠朋、欧辰、穆尔等)、工业开关电源定制业务领域(朝阳、永明等)、日资企业之间(科索、TDK兰达)等均有各自的竞争特点。

    捷孚联合(JFUnited)将工业开关电源模块市场根据各企业的市场份额及产品档次分成5个竞争阵营:

    第一阵营:目前只有明纬一家,MTD2002产品定位于中低端市场,大陆开关电源的市场份额超过21.4%;明纬2007-2008增速较低,市场份额有所缩小。

第二阵营:主要包括西门子、菲尼克斯和朝阳,产品主要定位于高端市场,3家企业占大陆开关电源整体市场的24.2%。其中,西门子、菲尼克斯是自动化领域的领先企业,电源产品与其自动化产品连带销售的优势比较明显;朝阳以定制业务为主,在轨道交通领域有比较高的市场占有率。虽然朝阳2007-2008增长速度有所降低,但西门子和菲尼克斯的增速要高于行业整体增速,因此2007-2008该阵营市场份额变化不大。

    第三阵营:主要包括LAMBDA、德创、欧姆龙、衡孚和创联,MTD2002产品主要定位于中端至低端市场,5家企业占大陆开关电源整体市场的29.8%。其中,LAMBDA为全球开关电源最大的生产厂家之一,市场知名度较高,衡孚在大陆工业开关电源低端市场有较大的知名度,德创长期专注于电力自动化领域,在电力领域市场占有率较高。2007-2008第三阵营市场份额变化不大。

    第四阵营:产品主要定位于高端及中高端市场,该阵营多数企业为外资品牌,行业主要8家企业占大陆开关电源整体市场的9.3%;2007-2008第四阵营大部分企业的增长速度要高于整体市场增速,因此该阵营市场份额有所增长。

    第五阵营:产品主要定位于中端至低端市场,行业主要10家企业占大陆开关电源整体市场的10.2%。2007-2008第五阵营大部分企业的增长速度低于整体市场增速,甚至零增长或负增长,因此该阵营市场份额有所减小。近一两年来,工业开关电源模块市场新进入企业数量有限,并且客户更换MTD2002品牌程度较低,2007-2008年多数主要竞争企业的市场份额的变化也比较小,预计未来几年内,大陆工业开关电源市场竞争格局不会出现明显变化。

    工业开关电源市场需求两极化明显,高端产品和低端产品需求量均较大,而中端产品需求较低。

    目前工业开关电源市场中,高端产品约占整个市场份额的24.9%,低端产品约占整个市场份额的37.3%,而中高端、中端、中低端等产品的各自市场份额均比较低。造成这种现象的原因是大陆工业开关电源应用领域的需求特点。如电力、轨道交通、石化、冶金等领域对高端工业开关电源的需求较大,而机械领域的大部分企业主要采购低端工业开关电源。中端产品目前的需求领域主要是一些中小型的电厂、电力设备、重型机械、少部分的石化设备等。

    捷孚联合(JFUnited)的调查报告数据显示,大陆市场工业开关电源市场主要是外资品牌为主,市场份额超过60%;其中,高端市场以德资品牌为主,中高端、中端市场中日资品牌的市场占有率比较高,日资品牌在这两类市场的占有率均超过相应市场容量的50%。大陆品牌主要分布在中低端和低端市场,部分企业因为应用行业的特点在高端、中高端有一定的占有率,如朝阳、德创、宇峰等。

    从具体品牌上看,西门子、朝阳、菲尼克斯在高端市场处于垄断地位,三家企业占高端市场近90%的市场份额;LAMBDA、德创在中端市场影响力比较大;明纬主要定位在中低端和低端市场,在这两个市场中占有较高的市场份额。

    平板式开关电源模块占市场主导地位,但导轨式开关电源将成为未来市场竞争的关键产品


    平板式工业开关电源主要应用于OEM配套,在工程项目中的应用比重相对较小;而导轨式工业开关电源主要应用于工程项目,但在烟草机械、陶瓷机械、重型机械、机床等机械细分领域中有较大比例的应用。

目前在大陆工业开关电源细分产品结构中,平板式工业开关电源仍然占据主导地位,约占整个市场的64.5%。

    2007-2008年工业开关电源市场平均增长速度为12.7%。MTD2002市场增速较快(超过25%)的企业其主要产品类型以导轨式开关电源为主,如菲尼克斯、魏德米勒、普尔世等;市场增速相对较慢(25%以下)的企业则主要以平板式开关电源为主。捷孚联合(JFUnited)认为导轨式工业开关电源将成为未来市场竞争的关键产品。

    从工业开关电源模块的输出回路和输出电压来看,单路输出的工业开关电源约占市场的77.1%,而单路输出工业开关电源中又以24V占绝大多数。目前大陆工业开关电源市场已经比较成熟,2007-2008年大陆工业开关电源市场主要竞争企业(单家企业)的单路、多路比例以及24V电源的比例均比较稳定,变化趋势在较小的时间跨度内表现不明显;整体市场单路、多路比例以及24V电源的比例变化主要来自各主要企业的增速差异。

    机械、电力是大陆工业开关电源的重点应用行业,机床、重型机械以及电力、轨道交通领域对开关电源的需求依旧较大;不同MTD2002细分领域的竞争格局差异较大。工业开关电源的应用十分广泛,主要是用在设备配套(OEM)和工程项目上。OEM主要包括各种机械设备(以机床、纺织机械、电梯、食品包装机械、塑料机械、重工机械、烟草机械、陶瓷机械等设备为主)、电力设备、铁路及地铁机车、石化冶金设备等,工程项目则主要是电力工程、轨道交通工程、石化工程、冶金工程、汽车生产线和水处理等。机械、电力两个行业工业开关电源的用量约占大陆工业开关电源市场总需求量的3/4。其中,机械领域对工业开关电源需求量最大的是机床行业,年市场容量超过2亿元;食品包装机械、重型机械、纺织机械对工业开关电源的需求量依次递减,陶瓷机械和烟草机械对工业开关电源的需求量相对较低。

    从发展潜力上看,食品包装机械、重工机械发展速度相对较快,是工业开关电源企业应该重点关注的行业;电梯行业受金融危机的影响,加上自身设计理念的变化,增速要低于包装、重工等行业。而电力、轨道交通、冶金、石化等行业中,轨道交通和电力保持了较快的增长速度,MTD2002冶金领域的增速在10%以下,而石化行业则表现出了负增长的趋势。综合分析各应用领域的需求容量及发展潜力,机械中的机床、重型机械以及电力、轨道交通领域,都是工业开关电源企业未来关注的重点行业。

    捷孚联合(JFUnited)报告指出,在不同的细分应用领域,大陆工业开关电源模块企业也表现出来不同的竞争力:明纬在机械领域、德创在电力领域、朝阳在轨道交通领域、西门子在石化及冶金领域分别出于领先位置。在机械领域,排名前五的企业又有各自明显的优势细分领域:明纬主要优势集中在塑机和纺织机械领域;西门子主要优势集中在烟草机械和重工机械领域;创联主要优势集中于机床领域;衡孚主要优势集中于激光机械和电梯行业;欧姆龙主要优势集中在包装行业。    

    电力领域品牌较为分散,排名领先的企业市场占有率均在20%以下。在电力设备领域,配套应用的品牌主要以德创、宇峰、三基等企业为代表。在电力工程领域,代表性企业主要有明纬、LAMBDA、朝阳、衡孚、菲尼克斯等;其中,菲尼克斯、LAMBDA、朝阳工业开关电源主要应用于大型电厂及变电站项目,明纬、衡孚工业开关电源主要应用于中小型电厂及电网项目。

在冶金设备领域中,MTD2002配套的品牌主要以科索、电盛兰达、朝阳为主,这类企业重点开发行业内的冶金研究所及系统集成商客户,将其工业开关电源产品配套冶金设备进入冶金行业。冶金行业生产线一般多为高温环境,对于配套应用工业开关电源模块的性能指标要求较高,配套的工业开关电源主要以中高端品牌为主。

    在铁路及地铁机车上配套应用的工业开关电源要求有较高的抗振性,防尘性等性能,所需产品输出电压及功率规格较杂,且大多以定制产品为主。朝阳作为大陆定制类为主的企业,凭借较为优越的产品性能和丰富的产品线,在机车领域处于领先优势。轨道交通工程对于配套的工业开关电源要求相对机车领域较低,涉及品牌以中低品牌为主,其中以明纬为主,其工业开关电源产品广泛应用于公路隧道工程、铁路和地铁地面系统工程。

    石化设备一般为大型设备,种类繁多,配套使用工业开关电源模块的设备也较为分散,相对应用规模较低,工业开关电源模块主要配套应用于生产线自动化控制项目。石化生产线由于涉及的危险场合较多,对于工业开关电源模块要求较高,配套应用的工业开关电源主要以西门子、朝阳、菲尼克斯等中高端品牌为主,涉及品牌较少,行业集中程度较高。

    目前,除MTD2002轨道交通领域朝阳占有明显的主导地位之外,MTD2002其它的领域竞争均比较激烈。

1 前言

提高功率因数( PF) 是用电设备节能的一个重要因数。随着电力电子技术的发展, 高频有源功率因数校正( PFC) 技术已越来越广泛地应用于各种电源。大屏幕彩电开关电源的功率在200~ 300W 之间, 原有彩电的开关电源均采用普通整流加滤波电路, 其谐波电流成分大, 功率因数值λ低, 一般为0. 65~ 0. 85。本文讨论功率因数问题及其校正的基本原理,分析大屏幕彩电开关电源的功率因数,并给出校正电路的设计方案及试验结果。为了提高大屏幕彩电的节电性能, 在设计中我们采用了高频有源PFC 技术, 提高了PF 特性。

2 PF 问题及其校正的基本原理

2. 1  PF 的概念
用电设备的λ指交流输入有功功率P 和输入视在功率S的比值, 即:


可见, λ还可定义为失真因数与移相因数的乘积。对开关电源来说, cos φ一般接近于1,即相移不大, 而谐波电流严重, 失真因数小。

2. 2  PF 低的危害性
用电设备的PF 低, 易造成以下危害:①谐波电流严重污染电网, 而干扰其它用电设备;②输入电流有效值大, 需增加电路和保护器件的规格;③供电容量增加, 加大了前级设备( 如变压器等) 的定额;④大大增加了中线负荷, 降低了安全性能。

2. 3 高频有源PFC的基本原理
高频有源PFC 是根据电网的电压、电流及负载的变化产生PWM 信号, 控制高频电子开关导通的, 可起调节电感L 的作用。改善电流波形, 利用乘法器控制PWM 信号, 可使电网的输入电流基本为正弦波, 使λ接近于1( 即大于0. 99) 。


图1 示出PFC 的原理框图

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3  大屏幕彩电开关电源的PF分析

现有的大屏幕彩电内用开关电源一般采用全桥不可控整流电路直接加电解电容滤波电路。


图2 示出该电路形式

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图中,V1 是单相整流桥;C1为吸收电容;R1 是保护压敏电阻;R2是热敏电阻;K为固态继电器触点。

R2 用以限制合闸电流, 当输入滤波电解电容充满电后, K 闭合, R2 断接, 电路的交流输入电压、电流波形见图3。由图3 可见, 只有当网侧电压幅值高于电解电容电压时, 电流才从电网中抽出, 因而电流谐波成分很大。计算出这种波形的λ很低, 一般在0. 65~ 0. 85 之间。


图3 现有大屏幕彩电开关电源交流输入电压电流波形

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图中,uiac为电网电压波形;uidc 为经V1 整流出的波形;uci 为输入滤波电解电容的电压波形;i i 为输入电流波形。

大屏幕彩电开关电源的输入功率在300W 左右, 其中1/ 3 ~ 1/ 5 是无功功率, 若采用有源PFC 技术可使其λ≥0. 99, 即λ≈1, 这样可节电60~ 100W, 是相当可观的。

4  大屏幕彩电开关电源的高频有源PFC

4. 1  设计方案
我们采用升压式电路来设计大屏幕彩电开关电源的有源PFC 电路, 其控制电路采用平均电流控制方式, 芯片采用UC3854, 具体电路见图4。它的工作原理是: 根据输出电压、输出电流和负载电流, 由UC3854 产生控制脉冲, 控制开关管导通, 连续监控和调节L 中的电流,使之跟随整流后的单向输入正弦电压, 并与其成正比; 此外, 为实现对输出直流电压的调整,利用乘法器并通过输入交流电压和输出直流来调控正弦基准电流, 以完成正确的SPWM, 这也是实现PFC 的关键。


图4 UC3854 构成PFC 电路的大屏幕彩电开关电源原理图

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我们设计开关管的工作频率为50kHz, Rt= 11. 2kΩ , C t= 2. 2nF, 输入电压Ui 范围为220V+ 20%- 30%, 直流电压Ud = √2Ui, DC/ DC 的输出功率为250W, 输入功率为275W, 效率η=91%, 根据公式计算校正电感:

 

4. 2  实验结果
我们规定, 网侧交流电压为ui, 有效值为Ui; 交流电流为ii, 有效值为Ii; 滤波电解电容上的直流电压平均值为Ud; DC/ DC 输入电流的平均值为I d。在输入线上串一小电阻,用示波器测得其电流波形见图5。由图5 可见, ui为正弦, ii 为基本正弦, 在50Hz 波形上有50kHz 的小纹波。i i 与u i 的相位差为100us左右, 所以φ= 1. 8°, cos φ≈0.9995。

 

图5 实测波形

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用单相调压器调ui , 再用表测得当Ui=220V 时, I i= 1. 25A, Ud = 310V, I d= 0. 85A,UdId/UiIi≈0.958.

因为电抗器和开关管也有功耗, 所以总的λ> 0.958, 如果校正电路的效率η= 0.97, 则λ≈0.988。  

5  结束语

大屏幕彩电开关电源采用全波整流直流电解电容滤波时的λ在0. 65~ 0. 85 之间, 比较低, 而采用PFC 后, 可使λ提高到0.98 以上,每台彩电可节电60~ 100W。采用PFC 专用芯片, 可方便地实现校正电路, 且效果良好, 可靠性也高。


Q:负载调整和交叉调整是怎么产生的?

    A:负载调整是由于负载变化(电流变化)而产生的输出电压波动;交叉调整指的是在电源拥有多路输出时,随着各路负载发生变化时各路输出电压发生的波动。

    Q:如何保证负载从零到满载条件下均保持较高的效率?

    A:权衡一下设计和制造成本,使用软开关和同步整流。少用或不用反激式电路。

    Q:单段PFC的优缺点及适用范围?

    A:单段PFC的优点集中体现在效率和成本上,因为将传统的PFC+PWM两段集中为单段,所以省去了一个环节,这样一来就避免了一个耗电环节,因此效率上可以改善。另外单段PFC至少可以节省一个控制器、一个磁性元件(电感)、一个开关器件(高压MOSFET),因此可以有效降低成本达20%以上。由于将两段合二为一,因此PF值不如传统有源PFC实现的高,动态响应速度、纹波等方面性能也不如两段式优异。单段PFC比较适合应用的领域如照明、适配器等。

    Q:开关电源控制器中,芯片对功率管的驱动时间如何选择?芯片对功率管进行驱动时,导通过快或过慢应该是都不好吧?这个时间如何把握呢?通常数值为多少?是否能够提供较通用的计算公式?

    A:功率场效应管栅极上串联的几十欧的小电阻,作用是消除场效应管关断时,由变压器漏感和场效应管漏-栅极之间的电容产生的寄生振荡,而不是用作调节什么开关的“软硬”。至于开关管通断瞬间产生脉冲峰尖引起的EMI,在硬开关电路中通常用箝位电路和RC吸收回路减弱或消除掉;而在软开关中,是加入适当的电感或电容及辅助开关电路,使电路在开关通断瞬间,在开关两端产生谐振,消除峰尖的同时顺便也将开关的损耗降到最低。此外EMC/EMI和开关的频率,电路的拓扑(结构),PCB的布线等还有密切的关系,而不仅仅是开关管通断瞬间的问题。

    驱动过快会引起EMI问题,而过慢又会增加损耗降低效率;很难确定出驱动时间的一个通用数值,因为驱动时间和电路拓扑结构以及MOSFET的参数有极大关系。

    Q:安森美的CS51414E的问题:我最近在用安森美的CS51414,输入电压22V,输入侧电容为220u铝电解+4.7u的陶瓷电容;Vsw侧是22u/3A的电感,IN5819的肖特基,100u的胆电容组成的续流回路;反馈电阻按照DATASHEET;现在输出5V的电压,有很大的纹波(1VP-P,表现为尖刺脉冲);输出800mA时,发热很严重。测量3脚Vsw波形,发现输出不是520K的脉冲,而是会丢失很多的脉冲!会不会是电感的问题?

    A:1.你测的1Vp-p应该是纹波+噪声电压,纹波电压决定于开关频率,电感量和输出电容量,噪声电压和探头的接法与layout有很大关系,应把示波器的带宽设置在20MHz。

    2.800mA时应该比较热。因为输入电压较高所致。可加大散热铜箔面积,并把IC用导热硅胶粘贴在下面的铜箔上。或用CS51412代替CS51414,并把电感量加大一倍。

    3.丢失脉冲应该是layout不好所致。把IC的接地端从输出电容的负端引出,并在IC的电压输入端到地端接一0.1u的陶瓷电容试试看。

    Q:用3844设计的开关电源保护:反激式开关电源,输出5V/1A、15V/500MA、24V/200MA。用5V进行的反馈。如果将15V或者24V短路时.5V的输出整流二极管会被烧毁。请教是那里的问题?还有变压器内部的电流如何变化?

    A:可能是5V整流管的反向耐压偏低所造成,如果短路后进入了打嗝模式,变压器的初次级电流都较小,如果没进入保护,将维持在恒功率输出模式,就是24V或12V输出电压低而输出电流很大,乘积是恒定功率。

 Q:在实际应用中如何选择Buck产品?

    关于非隔离型DC-DCBuckConverter,有以下两个问题:

    一、在以下两种条件下,应选择哪种拓朴结构的Buck(同步还是非同步);

    1、输入电压12V/15V,输出电压5V,最大负载电流3A;

    2、输入电压为5V,输出电压为3.3V/2.5V/1.8V,最大负载电流3A;

    二、同步和非同步的Buck在实际应用中应注意哪些问题,如拓朴结构如输入,输出电压以及负载电流,工作频率等的关系。

A:一、上述两种应用无论选择同步还是非同步都是可以接受的方式。关键在于终端客户对电源的不同要求,如成本、效率等方面的考量。在一般实际应用中,这两种应用以非同步较为常见。

    二、非同步的优势在于成本较低,但由于续流是由二极管完成,因此开关频率较低、效率不高。通常的开关频率在两、三百千赫以下;在输入输出压差较小且电流不是很大时该是拓扑结构比较适合;

    同步整流效率较高,开关频率可高达兆级,体积小,但成本较非同步整流处于劣势。电流较大时最好采用同步整流,但可考虑开关MOSFET外置以减小芯片散热压力。

Q:适配器、液晶电视、ATX电源设计要点?

    A:由于以上应用特性各有不同,所以在电源设计方面也有独特之处:

    1、由于体积小且散热条件差,适配器对满载效率要求很高,且多为单路输出;另外,由于没有辅助电源,因此电路控制器本身要求有很好的待机性能;由于功率范围的原因,在小功率大多数适配器会选择反激结构,而中大功率出于效率考虑多用LLC拓扑架构;

    2、液晶电视电源功率一般在几十瓦到最大三四百瓦范围,多路输出,尺寸方面特别是高度方面有严格的限制,使其电源设计如拓扑、变压器等方面要格外注意。液晶电视电源的电路拓扑较多,正激、反激、LLC等均有应用。一般较大尺寸的液晶电视均有专用的待机电源,因此主电路控制器的待机特性不如适配器这般苛刻;

    3、高效ATX电源对轻载、半载、满载的效率均有明确的要求,因此在设计时要引起对这方面的重视。同液晶电视一样,ATX电源也是多路输出且有专用的待机电源,同时,待机电源的高效低能耗也是衡量ATX电源性能的一个重要指标。目前应用于高效ATX电源以有源钳位和LLC居多。

    Q:开关电源的一些术语:斜坡补偿,斜坡补偿,不连续模式,逐周期限流,突发模式,电流模式,电流内环,电压外环。

    A:

    斜坡补偿-在电流模式中当占空比大于50%时,为抑制次谐波振荡,将部分锯齿波电压加到控制信号上的补偿方式;

    斜坡补偿-电感电流在每个开关周期的任何时候都不会到零的工作模式;

    不连续模式-电感电流在每个开关周期前/末都会到零的工作模式;

    逐周期限流-每个开关周期都会检测过流信号;

    突发模式-应该是Burst模式,指一种待机方式;

    电流模式-电流信号参与环路控制的模式;

    电流内环-电流控制环路;

    电压外环-电压控制环路。

 


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