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电源适配器技术性能

点击:557 日期:2019-06-03 选择字号:
1.电源适配器高可靠
电源适配器比线性电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及散热单元等器件的寿命决定着电源适配器的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼,而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低结温、减少元器件的电应力、降低运行电流等措施使电源适配器的可靠性大大提高,可使电源适配器产品的MTBF高达100万小时以上。
2.电源适配器模块化
无论AC/DC或DC/DC变换器都朝模块化方向发展,其特点是:可以用模块电源组成分布式电源系统;可以设计成N+1冗余电源系统,从而提高可行性;可以做成插入式,实现热插拔,从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件;多台模块并联可实现大功率电源系统。此外,还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩充容量。
3.电源适配器低噪声
电源适配器的一大缺点是噪声大,单纯追求高频化,噪声也随之增大,采用谐振技术在原理上既可以高频化,又可以低噪声。但谐振技术的应用也有其难点,如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、开关管的寄生电容易引起短路损耗、元器件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成一次侧、二次侧分离阻燃密封,自身具备抑制噪声功能(共模无噪声隔离变压器),既节省了噪声滤波器,又减少了噪声。
4.电源适配器抗电磁干扰(EMI)
当电源适配器在高频下开关时,其噪声通过电源线对其他电子设备产生干扰,世界各国已有抗EMI的规范或标准,如美国的FCC、德国的VDE等,研究开发抗EMI的电源适配器日益重要。
5.电源适配器系统管理和控制
应用微处理器或微机集中控制与管理,可以及时反映电源适配器环境的各种变化,电源系统内的处理单元实现智能控制,可自动诊断故障、减少维护工作量,确保正常运行。
6.计算机辅助计(CAD
利用计算机对电源适配器系统的稳定性分析、电路仿真、印制电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验,十分有效,是最为快速经济的设计方法。
7.性能指标的提升
目前的电源适配器产品要求输入电压通用(适用世界各国电网电压规模)、输出电压范围扩大(如计算机和工作站需要增加3.3V这一电压、程控需要增加DC150V这一电压)、输入端功率因数进一步提高(最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”),并具有安全、过电压保护等功能。

(1)电源适配器的优点
①功耗小、效率高。在电源适配器电路中的,开关管在驱动信号的激励下,交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态,转换速度很快,工作频率一般为50kHz左右,在一些技术先进的国家,可以做到几百或者近千赫兹。这使得开关管的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率一般可以达到85%,质量好的可以达到95%甚至更高,美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的“能源之星”对电源适配器的效率都制定有很详细的、非常严格的规章条款。
②体积小、质量轻。从电源适配器的原理框图可以清楚地看到没有采用笨重的工频变压器,由于开关管上的耗散功率大幅度降低,又省去了较大的散热片。由于这两方面原因,使电源适配器实现了体积小、质量轻。据统计,100W的铁芯变压器的质量为1200g左右,体积达350cm3,而100W的电源适配器的质量只有250g,而且敞开式电源适配器更轻,体积不到铁芯变压器的1/4。
③稳压范围宽。改变输出电流、电压比较容易,且稳定、可控。电源适配器的输出电压是由驱动信号来调节的,输入电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,这样,在工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有较稳定的输出电压,所以电源适配器的稳压范围很宽,稳压效果很好。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样,电源适配器不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的电源适配器。
④滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减少。电源适配器的工作频率目前基本上是工作在50kHz,是线性稳压电源的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下,采用电源适配器时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500~1/1000。
⑤电源适配器具有各种保护功能,提高了电源适配器工作的可靠性。
⑥电路形式灵活多样。电源适配器的形式有自激式和他激式,有调宽型和调频型,有单端式和双端式等,设计人员可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足不同应用场合的电源适配器。


(2)电源适配器的缺点
电源适配器的缺点是存在较为严重的开关干扰,在电源适配器中,功率开关管工作在开关状态,在其开关过程中产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整个系统的正常工作。此外由于电源适配器振荡器没有工频变压器隔离,这些干扰就会窜入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和控制设备受到严重的干扰。


目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因而电源适配器的造价不能进一步降低,也影响到电源适配器可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中,电源适配器还不能得到十分广泛的普及应用。特别是对于无工频变压器电源适配器中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件,在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家,电源适配器虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在一些问题,不能十分令人满意。这暴露出电源适配器的又一个缺点,那就是电路结构复杂、故障率高、维修麻烦。对此,如果设计中和制造中不予以充分重视,它将直接影响到电源适配器的推广应用。当今,电源适配器推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。


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