電源技術精選(九篇)

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第1篇：電源技術范文

作者：張亞婷 丑修建 郭濤 熊繼軍 單位：中北大學

近年來，為了探索新型的使用壽命長、能量密度高的微能源，國內外學者開始收集人體、聲音、道路、高層建筑等周圍環境中的振動，以實現微納機電系統的自我供能，這將有望解決能源微型化過程中電池體積大、一次性使用壽命短、能量密度小等問題。靜電式微能源目前，T．Sterken等人［5］提出的靜電式發電機采用靜電梳齒結構和MEMS工藝，在150V的激勵下、振動頻率為1020Hz的環境中，獲得1μW功率輸出；在3750Hz下得到16μW功率。美國Berkeley大學S．Roundy等人［6］研制出的靜電式發電機采集120Hz的低頻振動（圖略），采用變間距式改變電容，仿真和實驗結果證實變間距式的結構更有優勢，當在120Hz，2．25m／s2的加速度振動下，輸出功率密度達116μW／cm2。（圖略）為變面積式結構。Y．Chiu等人［7］提出了一種靜電式微能源，利用鎢球調節裝置的固有頻率，整合機械開關被安放在換能器內，實現同步能量轉換。東京大學T．Tsutsumino等人［8］提出了一種靜電式發電機，其利用高性能的有機膜全氟樹脂（CYTOP）作為駐極體材料來提供電荷，加載20Hz振動，振動幅度的峰峰值為1mm，最大輸出功率達6．4μW。電磁式微能源目前在電磁能量轉換研究方面工作較突出的是英國Southampton大學，從2004年開始采用硅微加工技術制作了微型電磁式振動能量采集器，在1．615kHz的振動頻率下，輸入加速度為0．4g時，其產生的最大輸出功率為104nW［9］；此外還提出了一種發電機在9．5kHz，1．92m／s2加速度振動驅動下，獲得21nW的電能［10］。D．Spreemann等人［11］設計了一個雙自由度電磁式能量采集器，中心轉子帶動磁鐵運動，使磁通量產生變化，產生感應電動勢，克服了單自由度能量采集器固有頻率的限制，適用于實際環境中的振動。在低頻環境中30～80Hz，可得到3mW的功率。H．Kulah等人［12］提出了一種鐵圈同振型發電機，通過一個電磁式頻率放大器將低頻振動轉換成高頻振動，而輸出功率與振動頻率的三次方成正比，從而提高了能量轉換效率。P．H．Wang等人［13］提出了一種銅平面彈簧式結構，為了獲得更低的固有頻率，測試結果顯示在121．25Hz頻率和1．5g的加速度下，開路電壓為60mV。以上研究初步達到了電磁發電單獨供能的目的，但在提高電源的能量密度和轉換效率，以及輸出能量收集與控制方面仍需要進行大量的研究工作。

壓電式微能源為了在低頻低強度的普通環境中提高轉換效率，大多數研究對微能源的結構進行了改進。S．Roundy等人［14］制作的矩形單懸臂梁結構的壓電發電機在120Hz、加速度為2．5m／s2下，產生25μW／cm2的能量。D．Shen等人［15］研制的低頻（183．8Hz）能量采集器，采用單矩形懸臂梁－質量塊結構，體積僅為0．769cm3，輸出平均能量為0．32μW，能量密度為41．625μW／cm2。E．K．Reilly等人［16］研究了矩形、梯形、螺旋形等不同結構的壓電懸臂梁。研究表明，螺旋形結構承受的應力最大，可產生較大的形變，輸出較高的電能，梯形結構次之。但是由于矩形結構加工簡單，故被廣泛應用。2010年，G．Zhu等人［17］收集說話聲音，采用豎直結構的ZnO納米線陣列代替常用的PZT壓電材料制成了納米發生器，通過實驗證實了在－100dB強度的聲波振動下，輸出峰值為50mV的交流電壓。近年來國內吉林大學、上海交通大學、大連理工大學等［18－20］也開展了關于壓電振子發電的微能源研究工作，并在壓電微能源應用研制方面取得了一定的研究成果。通常環境下振動分布在一個較寬的頻率范圍內，如果微能源帶寬過窄，則不能滿足實際需求。目前的頻帶擴展方法主要有陣列式［21－22］、多梁－多質量塊系統［23］以及頻率可調式［24－25］。陣列式是通過具有不同固有頻率的單懸臂梁－單質量塊結構來實現頻帶擴展，即使振動頻率改變，某些頻率的懸臂梁也會處于工作狀態；多梁－多質量塊系統是通過使結構某兩階頻率接近來實現頻帶擴展；頻率可調式分為主動調頻和被動調頻。主動調頻需要調頻器，而調頻器耗能大于產生的能量，故不可行；被動調頻需要激勵和傳感器，這提高了復雜性和成本。2006年，M．Ferrari等人［26］提出了一種多頻能量轉換器，覆蓋100～300Hz波段；2007年A．IbrahimSari等人［27］采用不同長度懸臂梁陣列式結構擴大了微型發電機的帶寬，在4．2～5kHz的振動頻率下，產生4μW的能量，覆蓋800Hz的波段。上海交通大學的馬華安等人［28］采用永磁鐵代替傳統的質量塊，并且在質量塊的上方和下方也放置了不同極性的永磁鐵，通過吸引力和排斥力來調整壓電懸臂梁的固有頻率，固有頻率范圍拓寬為80～100Hz。電能采集、存儲電路微小能量的采集、存儲也是微能源系統的關鍵技術，否則振動產生的微電壓并無實用價值。能量采集存儲電路主要包括整流電路、升壓電路和存儲電路。對于此部分的研究已經較為成熟，但大部分都是基于經典的分立器件所搭建而成，具有靜態電流高、采集存儲效率低的特點。LINEAR公司［29］新推出了一款專門面向能量收集的集成芯片LTC3588，它內部集成了AC／DC、電荷泵以及電源管理模塊，可以直接采集微小交流電壓信號，持續輸出100mA的電流信號，且其靜態電流只需950nA。TI公司［30］在2011年底推出的BQ25504芯片，也同樣集成了采集存儲電路的幾個模塊，其靜態電流僅為330nA，可以將能量存儲在鋰電池、薄膜電池以及超級電容中，同時其良好的電源管理實現了充放電保護的功能，極大地提高了系統的集成度。它們都具有操作簡單、能量采集存儲效率高、性能穩定、價格低廉的特點，可以廣泛地應用于由振動驅動的微能源系統。電能存儲的介質選擇也是研究的一項重要內容。沈輝［31］對超級電容、鎳氫電池和鋰電池的儲存電荷能力進行了比較，發現電容器的充放電速度較快，可以迅速地回收產生的電能，同時其充電效率最高可達95％，并且充電次數理論上也可達無窮次；與之相反，電池的充電速度慢，不能立即使用回收的電能，同時其充電效率僅為92％（鋰電池）、69％（鎳氫電池），使用壽命為500～1000次，但其具有放電時間長、輸出電壓比較穩定的特點。經過一個月的自放電測試，超級電容自放電效率最高，剩余電量僅為65％，鎳氫電池為70％，鋰離子電池為95％。但是對于需要經常充放電的場合，自放電可以忽略，超級電容憑借其可以無限次重復使用的特點，受到了科研人員的青睞。三種不同類型的微能源相比較，壓電式微能源有結構簡單、易于集成和微型化的獨特優點，已經應用到生活中。日本的研究員在東京火車站的地面上鋪上了四塊包含壓電發電裝置的地板，其可以顯示產生的能量，可為自動檢票門提供能量［4］。以色列Innowattech公司［32］建立了第一條發電公路，用預制塊和環氧樹脂作保護，防止壓電晶體破損。英飛凌公司［33］推出了MEMS傳感器、MCU、RF、MEMS自供電電源四合一的新型TMPS。

電磁式微能源的設計僅在理論指導下進行，對器件進行仿真分析較少［34］，所以，難以得到最優的結構模型；壓電微能源的大部分研究都通過改變幾何結構來降低共振頻率、優化電路以提高能量轉換效率，而對于研究新型的壓電材料來提高系統性能的研究相對較少；由于MEMS的微加工、微裝配與封裝技術處于發展階段，使得振動式微能源不能按照設計要求達到精確制作與裝配，從而難以得到理想結果。振動驅動微能源技術存在以下應用方面的問題：實際生活環境中振動頻率范圍比較寬，從十幾赫茲到幾百赫茲，至今沒有提出有效調節頻率的方法。因此，有人提出使用非線性振動模型來研究微能源［35］，但目前，這方面的研究還很少。儲存電能的介質需要做進一步研究，特別是超級電容，其放電速度快、輸出電壓不是很穩定的特性需要改進。理論上微能源具有壽命較長的優點，但是實際應用環境中振動加速度和頻率對微能源壽命有很大的影響。振動驅動微能源已成為各國科學家研究的熱點。目前，電磁式、壓電式微能源的研究相對較多，但是為了提高其性能指標，從而更快應用到實際中，振動式微能源的結構還在不斷得到改進、優化，并且提出新的結構模型。而靜電式微能源由于需要外部電源，限制了其應用，因而研究相對較少。振動驅動微能源技術向低頻、多頻、寬頻、非線性振動模型、復合微能源發展［36－37］。同時，將幾種不同轉換形式的微能源集成在同一芯片上，可以綜合不同原理微能源的優點，提高能量密度，這些都是微型化和實用化的關鍵。振動驅動微能源有望為野外和置入結構的微系統提供高可靠、長時間的電能，為無線傳感網絡節點和便攜式微電子產品提供充足的電源，所以研究振動式微能源有重要的實用意義。

第2篇：電源技術范文

1.電力電子技術的發展

現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

1.1整流器時代

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。

1.2逆變器時代

七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。

1.3變頻器時代

進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。

2.現代電力電子的應用領域

2.1計算機高效率綠色電源

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高頻開關電源

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型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。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己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)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采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、增加非常方便。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。

2.3直流-直流(DC/DC)變換器

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,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

2.4不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

2.5變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

2.6高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。

2.7大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

2.8電力有源濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

2.9分布式開關電源供電系統

分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

3.高頻開關電源的發展趨勢

在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。

3.1高頻化

理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。

3.2模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。

3.3數字化

在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在

六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在

八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。

3.4綠色化

電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。

第3篇：電源技術范文

1．1問題的提出

80PLUS是一項針對電源所做的新標準，它的核心是加載主動式PFC電路模塊用于提升計算機設備的使用效率。保證電源設備在22%、48%，以及滿載時有大于84%的轉換效率。簡單的說，就是在不同的負載程度，能夠減少多余電能轉換成的廢熱，來降低電源的使用成本。在中國這筆費用是由各個電源生產商向國家節能減排部門進行申報后獲得的。該標準最早是由美國能源局制定的效率標準，針對桌面型臺式機、高性能刀片服務器及工作站所制定的節能規范，希望借此來提高計算機內部電源設備的效率與功率因數比值，減少EMI諧波危害，降低設備的發熱量，以達到節能目的。圖1顯示轉換效率從低到高分別是80PLUS的6個標準:白牌(標準版)、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金從上到下依次提升。PFC效率因子數值越高表示這臺電源越優秀。相比普通的被動PFC電源，80PLUS標準有許多優點。

1．2主動PFC電路設計能夠延長的使用壽命

圖2顯示了被動PFC電源的熱功耗模式，根據功率校正決定電源適配器轉換效率的關鍵在于能將百分比之多少的輸入轉換為輸出，由于剩下的電能會轉換成廢熱。廢熱的產生會增加很大的電源噪音，而風扇需以高轉速來帶走廢熱，來保證電源內部不會過熱觸發報警裝置。目前我們所使用的電源風扇都是普通油封軸承，這種軸承的好處就是成本低，便于大面積使用。缺點是壽命短，油一旦消耗完后會產生巨大的摩擦噪音。因此，減少廢熱、保持低散熱需求的好處即是增加電腦電源的耐用度。

1．3主動PFC電路設計能夠減少熱輻射功耗

例如，一個轉換效率65%的額定600瓦的電源設備，在100%負載時會消耗600瓦的電力，剩下的180瓦則會轉換成多余的熱能。如果該電源供應器轉換效率為80%，在90%負載時只需要540瓦的電力供應，那么就只有60瓦的電力轉換成熱能。所以如何減少這些熱能非常重要，由于目前科學技術的限制，人類還無法去收集這些多余熱能進行儲存。因此，減少這些無用的電子消耗顯得非常重要。采用溫控裝置的電源風扇就不必在高轉數情況下進行工作，這將有效的降低電源噪音和電源內部的發熱量。讓電源內部的元器件保持在正常溫度系數范圍內進行工作。

2主動PFC技術的實用價值

2．1有源PFC電路模塊的重要性

節能減排一直是很多單位關注的，80PLUS電源能夠做到為機房節能。這得益于80PLUS標準電源的高功率因數(PFC值)。PFC的全英文名為“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因數調整值”，用來表示有效功率與總耗電量(視為額定功率)之間的比值。電網供給電源的能量并不能100%被電源所利用，在電源和電網之間會存在不小的電能損失部分。這個時候PFC就誕生了，目前的PFC電源分為主動式(active)和被動式(pas-sive)兩種。被動PFC電路的功率因數一般只有70－78%，有的甚至連70%都達不到。而且電源非常沉重，不利于運輸。而主動PFC的功率因素通常保持在90%以上，甚至達到95%。由于不需要龐大的電感，因此重量得到了大幅度的減輕。

2．2寬頻電壓輸出

主動PFC還有另外一項重要的附加價值，即它可以適應90Vdc－260Vdc的全范圍電壓，可以全球通用，特別是對于電壓不穩的地區有重要的使用價值。在我國的貧困地區，及地震災區，當地電力部門無法保障220V穩定電壓的環境下，使用主動PFC的設備能夠有效緩解電力異常波動造成的瞬時斷電設備重啟問題。在邊遠地區使用主動PFC設計的電源系統能夠有效保障學校、醫院重要部門的不間斷運作。

2．3單位耗電量的下降

注意:為了滿足能源之心(ENERGYSTAR)的規范指標以及國家降低碳排放的強制要求，即功率因數越大，對節約電力能源越有好處。主動PFC電源為了保證更高的轉換效率，在產品的設計與用料上，都較傳統電源要復雜和考究得多，這帶來了生產成本的上升。但考慮到在工業用電方面的開支減少，特別是現在很多大學機房機器數量都在數千臺以上，是一些專業實驗室，常年24小時開機進行數據運算實驗。如果按照一年一臺PC即可節省200元人民幣，這筆費用擴建機房升級設備都綽綽有余，從長遠利益來看，未來終端用戶應該多考慮帶有主動PFC模塊的電源。

3主動PFC技術的實現

圖3顯示的為PFC升壓預轉換器的構成，這里需要安置一個線圈，通過一個二極管和一個PF開關。藍色箭頭所指的波形電感需要一枚加載PFC預調節器而設計的功率因數校正控制器電路。這里我們使用ONSEMI半導體(MC33368和MC33260)，均工作在臨界導電模式中，而NCP1650則工作于連續導電模式。通常將臨界導電模式用于300W以下的功率因數控制電路。而CCM連續導通模式用于400W以上的功率因子電路模塊。隨著機房在教學上開設了matlab，大型數據庫等課程，這些課程對計算機的硬件要求非常高，特別是大數據運算這樣的模型搭建。為了滿足這些設施要求，必須使用額定功率在400W以上的電源才能滿足需求。CCM電路拓撲就是為了通過80PLUS標準設計的，一般采用正激拓撲(又分為單端正激拓撲和雙管正激拓撲)較之前機房所使用的被動PFC普通電源，通常采用半橋拓撲。半橋拓撲均采用三極管做主開關管，正激拓撲采用MOS管進行設計，但是這樣的設計會導致開關損耗均遠大于MOS管。而且這類電源非常笨重。因此，半橋拓撲的轉換效率一般剛剛能夠突破70%，而雙管正激拓撲的轉換效率基本都能接近80%，設計和用料較好的就能達到85%以上。雙管正激拓撲相對于半橋拓撲的另一個優勢就是紋波要小得多(由其工作原理所決定)。開關電源的輸出電壓會有一些不規則的小幅波動，波動幅值范圍一般是幾十毫伏，稱為紋波。紋波干擾在機房是非常普遍的一種電磁干擾，特別是機房其它的非兼容設備比較多的情況下。會造成液晶顯示器摩爾紋的顯示故障。這種故障會影響顯示器使用者的體驗感受。從另外一個方面來說，計算機的板載芯片對紋波有一定的耐受能力，但這樣的范圍是非常有限的，這將會導致聲卡的模擬放大電路會受紋波影響導致音質失真。特別是語音室對雜音過濾的要求非常的高，而正激拓撲的紋波更小，即電源輸出的電壓更平穩，電流更純凈，從而延長各部件的使用壽命，更可以減少令人頭疼的EMI電磁干擾問題。

4改造主動PFC電源負載性能測定試驗環境

INTELXEONE－1230v316GAPACERDDR31866×28×2TRAID0磁盤陣列。額定600W電源運行測試國際象棋算法及圖形4D渲染。電路板在滿負載、低電壓線路下工作30分鐘后進行測量。所有測量是在沒有中斷的情況下連續進行的。采用HP34401A萬用表在測試端直接測量。輸入功率根據如下公式計算:Pin(avg)=Vin(rms)•Iin(rms)•PF機箱蓋板打開、側板無12cm風扇、僅使用slient模式CPU風扇運轉。圖4600W額定電源測試的轉換效率這些結果是在一種相對高頻的應用中獲得的，軌跡線顯示了線電壓在不同負載時的效率，以中國境內230V電壓標準，效率始終高于95%。100%負載下轉換效率略有下降，且此時電源發熱量會非常大，但相比于被動式PFC的電源來說，這樣的發熱量已經減少了很多。

5結語

第4篇：電源技術范文

關鍵詞：開關電源的電磁干擾 抑制技術

中圖分類號： TL62+9 文獻標識碼： A

前言

開關電源是目前電子設備中應用最為廣泛的一種電源裝置，具有功耗低、效率高、體積小等顯著優點，主要應用在計算機、電子設備、儀器儀表、通信設備和家用電器等系統中，其性能的優劣直接關系到整個系統安全性和可靠性的高低。

一、開關電源電磁干擾的產生機理

1 二極管的反向恢復時間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di／dt)。

2 開關管工作時產生的諧波干擾

一般情況下，功率開關管在導通時，都會流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產生尖峰干擾。

3 交流輸入回路產生的干擾

無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產生電場和磁場，這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。

4 其他原因

元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

在電力電子系統中，主要的干擾源是功率變換部分和變壓器部分(DC／DC部分)；盡管噪聲頻譜很寬，但主要分布在低頻段。功率變換部分和控制模塊一般都安裝在同一個PCB上。前者在多數情況下都是干擾源；后者則屬于弱電部分，是敏感設備。PCB走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，因而增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度，因而控制模塊可能會受到干擾而不能正常工作。

5 開關電源EMI的特點

作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高(從幾十千赫茲到數兆赫茲)，主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。

二、開關電源工作時的噪聲源及抑制

1開關電源工作時的噪聲源

產生噪聲的來源很多, 如外來干擾、機械振動、電路設計不當、元件選擇不當以及結構布局

或布線不合理造成的電源噪聲增大等。 在開關穩壓器中, 功率三極管和二極管在開-關翻轉過程中所產生的射頻能量已成為噪聲的主要來源之一。 由于頻率較高, 它以電磁能的形式直接向空間輻射, 或以干擾電流的形式沿著輸入、輸出端的導線傳送。 開關電源工作時所產生的高次諧波竄入公用電網, 對使用公用電源的其他電子設備產生干擾, 同時其本身也受到來自公用電網及空間的EMI 信號的干擾。

2噪聲源的抑制

（1）采用無源濾波器

抑制高次諧波電流噪聲最簡單的方法是在電源的輸入部分附加扼流圈。 這種方式的優點是增加元件數量少、可靠性高且成本低廉, 但因附加扼流圈而使體積增大。 對EMI 信號的抑制可用EMI 濾波器。 EMI 濾波器包括電源EMI 濾波器、信號線EMI 濾波器、損耗線EMI 濾波器、印刷電路板EMI 濾波器等。它是由正態電感器和共模電感器組合而成的。 前半部是正態電感器, 其作用是抑制高次諧波; 后半部是由共模電感器和電容構成的EMI 濾波器, 抑制EMI 信號。 共模電感器L1、L2 是繞在磁環上的兩只獨立線圈, 線圈匝數相同, 繞向相反, 致使濾波器接入電路后, 兩只線圈內電流產生的磁通在磁環內相互抵消, 不會使磁環達到磁飽和狀態, 從而使兩只線圈的電感值保持不變。 磁環的另一個作用是對有用信號( 基帶信號) 相當于短路不產生任何影響, 專門吸收調頻干擾信號能量, 可提高抗干擾能力和靜電放電( ESD) 干擾能力。 但是, 由于種種原因, 如磁環的材料不可能做到絕對均勻, 兩只線圈的繞組也不可能完全對稱, 使L1、L2 的電感量不相等, 于是L1、L2 之間存在電感量差值, 稱之為差模電感。 共模線圈和Cx 組成L- N 獨立端口間的一只低通濾波器, 用來抑制電源上存在的差模信號。 如果在相線和中線的共模干擾電平不相等, 在Cx 電容器上就會出現共模電流, 在Cx 電容上引起共模壓降, 進一步降低共模干擾電平。

（2）采用有源濾波器

采用有源濾波器能使用較小容量的濾波電容來達到較好的濾波效果。 圖2 所示電路是一種有源濾波器電路。 它是利用晶體管的電流放大作用, 通過把發射極的電流折合到基極, 在基極回路來濾波。 R1、C2 組成的濾波器使基極紋波很小, 這樣射極紋波也很小。 由于C2 的容量小于C3, 減少了電容的體積。 這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。

（3）采用雙變換器方式

在開關電源中采用雙變換器方式進行高次諧波抑制是目前常用的方法。 所謂雙變換器方式, 利用前級的升( 降) 壓斬波器, 在輸入電流波形正弦波化后, 由PFC 電路對其功率因素進行改善控制, 同時利用后級的DC- DC 變換器進行輸出穩定化控制。 實質上, 變換器起到有源濾波器的作用。 這種方式尤其適合高壓大功率電源的情況。

（4）采用零電壓開關、零電流開關電路

采用零電壓、零電流開關技術可以使高次諧波抑制和EMI 信號抑制能力得到很大的提高。開關電源在開關工作時, 由于儲能元件的儲存及釋放電能是造成電磁干擾的關鍵原因, 因此, 如果能實現開關電源在零電壓、零電流時進行轉換, 就可以有效地抑制干擾。 零電壓、零電流開關技術是目前抑制開關電源干擾的一種最新技術。 它分為軟開關啟動技術和串聯諧振變換技術。

軟開關啟動技術: 開關電源的輸入通常是由交流電網供電, 經整流濾波產生輸出。 由于電壓高、電容量較大, 在電源合閘瞬間將產生很大的充電電流, 其最大峰值電流可達穩定值的幾十倍。 這種沖擊電流后果會給輸入電網造成很高幅度的尖峰干擾。 軟啟動技術是在輸入回路中接入限流電阻, 待啟動完成后再將串接電阻短路。

串聯諧振變換技術: 由于開關電源通常采用PWM( 脈沖寬度調制) 方式, 這種方式的主要問題是元件進行接通和斷開時, 會產生電磁干擾、浪涌電壓及開關損耗。 所謂諧振方式是指在開關電路中設置由電感和電容構成的諧振電路, 使電路的電壓或者電流諧振, 并當其電壓或電流變為零時, 使主電路開關接通或者斷開。 即當開關元件之間的電壓為零時, 施加接通信號, 并使斷開時的電壓為零伏, 即實現零電壓開關, 使開關的電流上升緩緩變化, 實現零電流開關。 采用集成電路UC1864 或UC1865 便可實現零電壓開關或零電流開關。

（5）其他技術

在開關電源中, 抑制EMI 信號和高次諧波的方式還有許多, 如元件在電路板上的布放方法、尺寸、位置, 采用簡化電路程式; 在變換器上設置第三繞組; 簡化PFC 電路、減少開關器件數量; 采用保護電路, 當浪涌電壓進入時, 禁止大電流流過開關器件等。

結束語

隨著現代電力電子技術的發展及半導體功率變換器件性能的不斷提高，開關電源技術越來越成熟，價格也逐步接近傳統的線性電源，其應用范圍也日益廣泛。

參考文獻

[1] 王敬斌。開關電源的電磁干擾及抑制技術[J]. 廣東輸電與變電技術. 2009(03)

第5篇：電源技術范文

本文探討電子產品中的能量損耗并探討用于減少能量損耗的技術。如果廣泛應用這些技術，潛在的能源支出將節省達到每年600億美元。如果你是電源電子產業的專才，這就是你躋身“綠領”的機會。一些實據　如今，美國每年的碳排放量是27.5億噸。如果延續當前的軌跡，到2050年將增加超過40％。這排放的一大來源便是烘烤和烹調系統、照明、電器和電子設備中所使用的電力。電源電子工程師在保護地球寶貴的資源中能夠發揮重要的作用。下面是一個簡要分析。

1　美國所有電力應用中的6％～10％是在電源從交流(AC)轉換到直流(DC)。

2　由于現有電源效率欠佳，美國所有電力消耗的3％～4％是在電源內部消耗的。

3　以更好的設計、使用IC控制器、場效應管(FET)和二極管等最新的電子元器件來增加電源的效率，能節省美國所有電力消耗的1％～2％，也就是每年30～60億美元的節省潛能。

上述分析提供了電源轉換機會的寬泛估計，但缺乏必要的詳細數據，那么，就讓我們研究得更深一點……

住宅用電部分

美國每年的住宅電能消耗總量達13000億kWh。其中，17％來自“插頭負載(plug load)”，耗電量達到2210億kWh。這部分的電能消耗可劃分為占31.1％(687億kWh)的信息技術產品，占41.3％(913億kWh)娛樂產品，“其他”占27.6％(610億kWh)。圖1顯示了這種電能消耗劃分。

如果只計算IT和娛樂產品的話，其電能消耗就是1600億kWh。按照每0.1美元／kWh計算，每年的電能支出就是160億美元。將這些用電設備的效率提升20％(務實的目標)，就能夠節省32億美元，可與早前30～60億美元的數字相比，而后者還包含了商業用電部分。

商業用電部分

美國每年的商業部分電能消耗為12300億kWh，其中9％(1107億kWh)來自辦公設備。假設辦公設備的電能消耗能夠降低15％，潛在的電能節省達166億kWh，以0.10美元／kWh計算，就接近17億美元。

將不同部分的節省潛能相加

對于美國而言，如果提升常見電子產品的電源效率，結合住宅和商業用電部分能夠節省總額達49億美元的電能開支。更高效的產品工作模式設計所帶來的節省還能夠產生更多的效益。

功率是如何損耗的，針對功率損耗采取了什么措施

在電子設備，功率損耗分為兩部分，分別是待機損耗和工作損耗。待機損耗在設備(計算機、電池充電器、電視機等)關閉時出現，這時設備仍在消耗功率；而工作損耗則是由通常在電源中的電源轉換階段的低效所導致。在家庭應用中，待機損耗預計占到總損耗的25％，而工作損耗占余下的75％。

近年來，所做的很多工作都旨在提升公眾對電能節省的興趣，而世界各國政府啟動了很多自愿性和強制性的項目來促進更高效產品的設計和電能更被善用。在美國，最成功的一個例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，這是一個自愿性項目，旨在推廣更高效的產品，并鼓勵消費者來購買這些產品。“能源之星”項目的基本途徑是調查現有產品，并設定一個產品要獲得ENERGY STAR標簽所必須符合的閾值，如圖2所示。

另外一個例子：80 PLUS計劃

如省略/網站上所述，“80 PLUS計劃是一個開創的平臺，聯合電力公用機構、計算機產業和消費者，在計算機和服務器應用中，以突破性的方法來推廣高能效電源。”這規范要求在滿載的20％、50％和80％下都具有80％或更高的電源效率，并具有0.9或更高的功率因數。這個計劃啟動于2004年，由美國的Ecos Consulting管理。如今，超過450款臺式電腦電源已經獲得80PLUS標簽認證。此后世界各地出現了越來越多的類似規范。

功率因數校正

除了低待機能耗和高工作效率，第三個要求――高功率因數，通常也非常重要，80 PLUS規范對此就有要求。在大多數國家，在連接至主電源的輸入功率為75W或更高的產品中需要低輸入電流諧波。在開關電源中，這個要求通常以增加功率因數校正(PrC)升壓預穩壓器來實現。這種升壓預穩壓器改變輸入電流，來匹配輸入電壓。這就將輸入諧波減到最少，并降低了輸入電流的均方根(rms)值。這就節省了電力公司生產無功功率的成本，并將電力基礎設施高昂的擴展成本減到最小，為電網提供更大的電流。

電源電子設計人員面對的三重挑戰

在待機能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就構成了當今節能型電源轉換的景象。如今的電子產品包括電源的設計人員，必須洞悉這三項要求，并且隨時準備在設計的時候將其考慮在內。僅就清楚這三項要求而言就是一項挑戰，因為世界各地圍繞這些要求的規范標準正不斷涌現。

為了符合這些不斷演進的要求所面對的挑戰，電源管理制造商協會(PSMA)，省略，已經開發出一個交互式能量規范數據庫，方便電源設計人員快速地瀏覽不同地區、應用、國家或機構的規范。如今，隨著不同規范易于獲知，設計人員已經準備好為拯救地球展開工作!

電源能效設計

第6篇：電源技術范文

關鍵詞：自控系統；開關電源；冗余技術；監控技術

中圖分類號：TM761

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2374（2012）20-0128-02

1　概述

中型線自控系統由于運行時間長、運行環境惡劣，系統面臨模板嚴重老化的問題，部分設備的使用年限已經到期，隨時可能損壞，尤其是控制用的24V開關電源，連續出現故障，給生產維護帶來不利的影響。為解決這個難題，通過對原控制電源系統進行了解剖分析，根據PLC系統運行的實際需要，進行開關電源冗余系統設計及運行監控，使其運行可靠、穩定，能夠長時間地連續穩定運行。

2　應用的主要技術

2.1　冗余控制技術

經過對原控制電源系統進行解剖分析，了解供電系統的功能特點，弄清楚了系統冗余設計的方法。根據PLC系統運行的實際需要，從可靠性、穩定性方面進行控制電源冗余系統開發，可靠性指其中一個電源出現故障時，另外一個電源能立即投入，保證實現無縫切換；穩定性指冗余系統中的每個電源系統都

能達到長時間的連續穩定運行，故障率低。

通過冗余控制，實現備用電源的無縫切換，提高了電源系統的穩定性和可靠性，保證PLC系統的供電正常。通過大量的實驗，測試冗余控制的自動切換功能和實際的控制水平，達到預期的效果，滿足了要求，開關電源系統真正實現了冗余控制。

2.2　FIX 監控技術

電源的運行狀態監控軟件采用美國Intellution公司的FIX DMACS軟件（6.15版）。FIX軟件是一種工業自動化組態軟件，FIX提供了監視、操作、歷史記錄、歷史/實時趨勢圖、報警和安全防護功能。FIX的I/O驅動程序軟件從I/O設備中讀取數據并把數據傳入驅動程序映射表（DIT：Driver Image Table）的地址中。

掃描、報警、控制（SAC）程序從DIT中讀數據，并將處理后的數據傳輸到過程數據庫中。內部數據庫訪問功能從本地或遠程的數據庫讀取數據，并將這些數據傳輸至請示的應用程序中去，監控功能非常完善，通過實時監控技術，對現場所有的控制電源運行情況進行了有效地監控，在其出現故障時可以得到及時的反饋，根據情況進行相應的處理，方便了

維護及故障的處理，保證了系統的穩定運行。

3　冗余控制及監控設計

3.1　冗余控制

圖 1 電源冗余系統圖

為了有效地消除上述這些情況對電源系統的不利影響，采用了以下的冗余控制方式，使用了兩個相同的直流電源控制，其中一個作為備用，每個電源通過大功率的整流二級管后，并聯輸出，在輸出側將繼電器連接到電源的正負極，引一對觸點到模板，作為電源正常信號，原理如圖1所示。

中型現場電氣室共有24對這樣的冗余電源控制系統，分布在近800米的控制室內，因此常規的維護很不方便。通過上面的設計，我們對這些控制電源進行了有效地畫面監控，每個電源的輸出側都有一個繼電器線圈和24V的正負極相連，從每個繼電器引一對常開觸點到數字量輸入模板，作為該控制電源運行正常的信號，通過控制程序及畫面的編制，將該信號點的狀態顯示做到畫面上顯示用于監控。

3.2　優化控制

由于系統控制設備較多，之前為了故障排查快速簡單，已經對其控制電源進行了改造，對每塊模板的供電電源正負端均增加了隔離保險，減少了故障的連鎖反應，降低了故障點。由于到現場的控制信號的公共線路設計時的原因，其公共端線路連接比較繁瑣，查找比較麻煩，當時改造時沒來得及完全分開，現在公共端分得不徹底，導致故障查找比較費時。針對現在的這種情況，進行了多種改造。

3.2.1　剝離不使用設備的線路

現場控制系統運行了十多年，有些設備經過改造，已經棄之不用，本打算線路以后可以作為備用，只在現場做了處理。現在將這些設備的所有信號從控制中解除，以防由這些不用的設備引起不必要的故障。

3.2.2　多路等級電源公共線合一

控制系統的DC24V電源輸出端分別控制其相應的設備，電源負端沒有進行接地處理，這只有各自的正負端之間相對電源為DC24V，和其他的都是獨立并存，互不相干。如果有一個負端接地，就會引起故障。因此現在考慮將所有控制柜內的24V電源負端都連接在一起，形成一個公用的負端，將各個的負端電勢拉平。如果有一路負端接地，就會有其他的負端將其電勢拉平，不會造成大的故障停機。

3.2.3　將公共線最小化分類

在控制系統的原設計中，一塊24V電源所控制的設備是共負極的，公共端是并聯到中繼柜后到現場設備的，一旦出現電源負端接地，查找起來非常麻煩，要一個設備一個設備地排查，費時費力，影響了現場的生產。所以考慮將電源的負極盡量按最小化分類，多加幾路保險，將公共端進行分離，對不同的設備分開控制。這樣分開后，一是故障影響面比較小，一旦出現故障只能影響到其保險下的有限設備，不會波及其他的設備；二是查找故障比較容易，可以根據保險的熔斷情況直接查找其所帶的幾個設備就行，不會再和原來似的大海撈針。

3.3　故障監控

本套故障診斷系統以東芝VTOOL編程軟件、IFIX監控軟件為開發平臺，開發了故障報警畫面、故障報警記錄和故障查詢三種診斷方式，它們相輔相成，并可隨著事件庫和經驗庫的完善而進一步完善。

圖2 24V電源實時報警畫面

利用VTOOL軟件和IFIX軟件共同開發的實時報警畫面如圖2所示，在IFIX監控系統的數據監控中添加電源故障信號的采集，畫面中的每一個小圖形都對應了現場的一個信號，并作為數據庫中的一個點，設備的輸入、輸出情況由NV控制器進行讀取，并通過以太網與IFIX中的數據點對應。當某個電源異常時，相應的繼電器線圈失電，常開觸點斷開，畫面上就會出現相應的聲光報警，根據報警點的標識，及時對該電源進行更換，方便了維護對其進行監控和維護，及時了解該類信號的運行狀態。

4　效果及應用

第7篇：電源技術范文

1．1基本拓撲

基本的拓撲包括BUCK、BOOST、BUCK－BOOST、CUK、正激變換器、反激、半橋、全橋、推挽變換器。在課堂教學中應該使學生熟練掌握其工作原理、應用場所、電流連續和電流斷續的工作波形、拓撲中的關鍵參數的計算，為學生設計基本的開關電源電路打下堅實的基礎，這是第一層次，要求學生必須熟練掌握。尤其要著重講解基本拓撲BUCK變換器，因為很多拓撲結構甚至是基本拓撲都可以由BUCK變換器變換得來。如果能在課堂上重點講解BUCK變換器，使學生完全掌握BUCK變換器的原理和波形，對學生后期的開關電源學習將會大有助益。第二層次是以基本拓撲為核心部分的主功率電路各部分參數計算，相當于電源工程師的項目計算書部分，這也是電源工程師必須掌握的基本技能。由于課上時間有限，教師在課上會把拓撲中關鍵器件主要參數的計算方法給出，不可能把所有的參數計算一遍，所以導致有些學生就停滯在這個層次上，沒有在課下把所有的參數，尤其是關系到器件選型的參數進行設計，為了解決這個問題，在課程中后期安排學生團隊制作實物開關電源，在這個過程中就必須要對每個計算參數都要反復核算，這個教學環節取得了較好的效果。第三層次是主功率電路器件選型和調試，基本上只有參加過實物制作、電子設計大賽、實習項目的學生有機會達到這一步，通過實際存在的問題，就問題去解決，才會在實踐當中結合他們上課學習的電源理論切實地體會調試電路的樂趣。

1．2PWM和PFC控制芯片

這部分會通過調研報告的形式讓學生先去搜集相關PWM和PFC控制芯片的最新信息，先讓學生去感知、去了解現在出來最新的控制芯片已經可以做到哪些功能了，此外重要的是積累總結每一個拓撲可以有哪些控制芯片來控制。讓他們自己去發現問題，感知問題，帶著問題和好奇，在課堂上授課教師會深入講解PWM控制芯片的基本控制原理，通過工程項目詳細講解如何快速掌握一個新的控制芯片每個引腳的功能，電路的設計方法、元器件參數計算方法，使學生掌握如何用控制芯片來控制變換器實現電能的變換，學會設計控制芯片與變換器的連接電路，即檢測電路和功率管的驅動電路。在課堂上教會學生使用PWM控制芯片數據說明書設計控制電路達到層次一，在課程學時中專門安排學生學習控制芯片電路的設計方法和參數計算方法達到層次二，不僅讓學生掌握一種控制芯片的電路設計方法，更重要的是舉一反三，在以后的設計和工作崗位上面對新的平臺和控制芯片依然可以設計出符合要求的電路。

1．3變壓器和電感設計

授課教師在課堂教學中依據教學改革培養電源工程師為目標不僅要介紹變壓器和電感的各個參數的計算方法，還會結合實際項目講授變壓器同名端和異名端在實際電源制作時的注意事項，變壓器的制作方法，掌握電壓器參數的測試方法和測試工具，掌握用示波器和信號發生器測試變壓器的匝比和同名端的方法。變壓器和電感的設計直接關系到隔離型變換器的性能，很多學生對變壓器和電感磁路設計部分學習起來會有些困難，所以這部分將作為課程的難點來重點講解。

1．4保護電路設計

課堂教學中一部分學時將用來著重講解各種保護電路，包括輸入輸出過壓保護、過溫保護、過流保護、輸入欠壓保護等。將采用調研報告、啟發式和討論式等教學方法引導學生去積累這些保護電路，學會在不同平臺、不同應用場合使用不同的保護電路。

1．5閉環電路調試

結合自動控制原理課程的相關知識，著重講解開關電源閉環電路的設計和分析，尤其是PID調節器的調試方法，結合實際項目演示電源工程師閉環電路調試過程，激發學生學習開關電源的學習興趣，通過實物和仿真軟件讓學生體驗調試的樂趣，這部分是開關電源課程重點講解的內容，要聯系實際項目，是課程的核心內容。以上5個部分是課程的主要教學內容塊，完全按照培養電源工程師的目標下制定的教學計劃，可以做到較好地給學生從課堂到就業的過渡，而不再是到了工作崗位上感覺課堂學習的東西和實際工作聯系不緊密，什么知識什么技能都要工作之后學習。在課堂上，保證學生完全掌握第一個層次，通過課后作業、課堂實際項目案例、電源制作等形式的教學方法使大部分學生掌握層次二，在平時的教學中注意動手能力強或者電路設計能力強的學生，通過帶學生電子設計大賽、創新大賽，或者學生在項目中輔助教師擔任研發助理的工作等，使一部分學生研發能力可以快速提高，培養成具有基本技能的初級電源工程師。

2課程考核方式改革

考慮到開關電源課程的實踐性強的特點，著重考核學生掌握所學的基本電路拓撲理論和技能，能綜合運用所學知識和技能去分析電路、調試和測試電路、分析電路故障及排除電路故障的能力。

2．1制作電源實物

基于課堂系統的理論學習，獨立制作75W單管正激變換器實物的能力考核，該正激變換器采用何種磁復位技術不限，根據班級人數，3～4名同學為一個小組，明確不同分工，共同制作出一款正激變換器。同時培養學生的團隊合作意識，考核的內容也要增加當該團隊遇到分歧和困難的時候，是如何解決的。

2．2課堂表現

主要是包括回答問題的情況，對問題分析的程度，出勤率，在平時小組討論時的表現和活躍程度。

2．3科研報告、口頭匯報

通過讓學生搜索近3年國內外開關電源、尤其是通信電源技術和產品的最新發展概況，增強學生的自我學習能力，在以后的學習和工作中掌握更新自己開關電源知識體系的能力，這是我們教學的重點，不只是教會學生電源的基本知識，還要教學學生學習探索開關電源領域的學習方法。選取部分優秀學生的科研報告由學生濃縮成5分鐘的口頭匯報結合PPT、實物動畫等多媒體展示方法在上課前5分鐘做口頭匯報分享給學生們。不僅較好地激發學生學習開關電源的興趣也能夠充分鍛煉學生的公開演講能力。

2．4作業

作業著重在學生是否是自己獨立完成的電路設計，而不是應付了事。哪怕學生的設計內容很少，但是只要是他們自己經過思考得來的就要比其參考其他人的作業效果要好很多。

3開關電源技術教學改革反思

第8篇：電源技術范文

關鍵詞：交流抗干擾電路；PFC電路；高壓整流濾波；PWM

1 引 言 2 計算機電源發展歷程

在計算機各部件中最令人注意的就是CPU的頻率、內存的大小、硬盤容量，顯卡的性能等等。而對于電腦中的一個重要部件電源．卻往往總會受到忽略。而事實上，電腦的許多奇怪癥狀都是由電源引起的。假如我們把計算機比作一個人的話，CPU作為計算機的核心部件起著運算和控制的作用，它相當于我們人類的大腦；而電源作為計算機的動力提供者，完全等價于我們人類的心臟，其重要之處由此可見。所以有必要了解電源內部結構，熟悉電源的工作原理，才能更好地維護好計算機電源，才能從根本上保障公司各部門計算機設備長時間穩定工作。

2 計算機電源發展歷程

PC／XT_ IBM最先推出個人PC／XT機時制定的標準；AT_ 也是由IBM早期推出PC／AT機時所提出的標準，當時能夠提供192W 的電力供應；ATX—Intel公司于1995年提出的工業標準。與AT比較主要變化為：

1、取消了AT電源上必備的電源開關而交由主板進行電源開關的控制，增加了一個待機電路為電源主電路和主板提供電壓來實現電源喚醒等功能：

2、ATX電源首次引進了+3．3V的電壓輸出端，與主板的連接接口上也有了明顯的改進：ATX12V—— 支持P4的ATX標準，是目前的主流標準：ATX12V一1．1：在ATX的基礎之上增加了4pin的+12V輔助供電線(PIO)為P4處理器供電，改變了各路輸出功率分配方式， 增強+12V 負載能力；ATX12V一1.3：提高了電源效率，增加了對SATA的支持。去掉了一5V輸出，增加了+12V的輸出能力；ATX12V一2.0：尚未有產品實施的最新規范；電源連接器由20針改為24針，以支持75W 的PCI Express總線．同時取消輔助電源接口；提供另一路+12V輸出，直接為4Pin接口供電；WTX—ATX 電源的加強版本：尺寸上比ATX電源大。供電能力也比比ATX電源強，常用于服務器和大型電腦；BTX一現有架構的終結者，電源輸出要求、接口等支持ATX12V。

3 計算機開關電源的工作原理

電源是一種能量轉換的設備，它能將220V的交流電轉變為計算機需要的低電壓強電流的直流電。首先將高電壓交流電(220V)通過全橋二極管整流以后成為高電壓的脈沖直流電，再經過電容濾波以后成為高壓直流電。此時，控制電路控制大功率開關三極管將高壓直流電按照一定的高頻頻率分批送到高頻變壓器的初級。接著，把從次級線圈輸出的降壓后的高頻低壓交流電通過整流濾波轉換為能使電腦工作的低電壓強電流的直流電。其中，控制電路也是必不可少的部分。它能有效的監控輸出端的電壓值，并向控制功率開關三極管發出信號控制電壓上下調整的幅度。目前的常見產品主要采用脈沖變壓器耦合型開關穩壓電源，它分為交流抗干擾電路、功率因數校正電路、高壓整流濾波電路、開關電路、低壓整流濾波電路5個主要部分。

4 交流抗干擾電路

為避免電網中的各種干擾信號影響高頻率、高精度的計算機系統．防止電源開關電路形成高頻擾竄，影響電網中的其他電器等；各種電磁、安規認證都要求開關電源配有抗干擾電路。主要結構為兀型共模、差模濾波電路．由差模扼流電感、差模濾波電容、共模扼流電感、共模濾波電容組成：

5 功率因數校正電路

開關電源傳統的橋式整流、電容濾波電路令整體負載表現為容性，且使交流輸入電流產生嚴重的波形畸變，向電網注人大量的高次諧波，功率因數僅有0．6左右，對電網和其他電氣設備造成嚴重的諧波污染與干擾。因此，我國在2003年開始實施的CCC中明確要求計算機電源產品帶有功率因數校正器(Power Factor Corrector，即PFC)，功率因數達到0．7以上。PFC電路分為主動式(有源)與被動式(無源)兩種：主動式PFC本身就相當于一個開關電源．通過控制芯片驅動開關管對輸入電流進行”調制”，令其與電壓盡量同步，功率因數接近于1；同時．主動式PFC控制芯片還能夠提供輔助供電，驅動電源內部其他芯片以及負擔+5VSB輸出。主動式PFC功率因數高、+5VSB輸出紋波頻率高、幅度小，但結構復雜，成本高，僅在一些高端電源中使用。目前采用主動式PFC的計算機電源一般采用升壓轉換器式設計，電路原理圖如下：被動式PFC結構簡單，只是針對電源的整體負載特性表現，在交流輸人端．抗干擾電路之后串接了一個大電感，強制平衡電源的整體負載特性。被動式PFC采用的電感只需適應50～60Hz的市電頻率，帶有工頻變壓器常用的硅鋼片鐵芯，而非高頻率開關變壓器所采用的鐵氧體磁芯，從外觀上非常容易分辨。被動式PFC效果較主動式PFC有一定差距，功率因數一般為0．8左右；但成本低廉，且無需對原有產品設計進行大幅度修改就可以符合CCC要求，是目前主流電源通常采取的方式。

6 高壓整流濾波電路

目前的各種開關電源高壓整流基本都采用全橋式二極管整流，將輸人的正弦交流電反向電壓翻轉，輸出連續波峰的“類直流”。再經過電容的濾波，就得到了約300V的“高壓直流”。

7 開關電路

開關電源的核心部分．主要由精密電壓比較芯片、PWM芯片、開關管、驅動變壓器、主開關變壓器組成。精密電壓比較芯片將直流輸出部分的反饋電壓與基準電壓進行比較．PWM芯片根據比較結果通過驅動變壓器調整開關管的占空比，進而控制主開關變壓器輸出給直流部分的能量，實現“穩壓”輸出。PWM(Pules Width Modulation)即脈寬調制電路，其功能是檢測輸出直流電壓，與基準電壓比較，進行放大，控制振蕩器的脈沖寬度，從而控制推挽開關電路以保持輸出電壓的穩定，主要由1C TL494及周圍元件組成。使用驅動變壓器的目的是為了隔離高壓(300V)區與低壓區(最高12V)，避免開關管擊穿后高壓電可能對低壓設備造成的危害，也令PWM芯片無需接觸高壓信號，降低了對元件規格的要求。

沖變壓器耦合型開關穩壓電源主要的直流(高壓到低壓)轉換方式有5種，其中適合作為計算機電源使用的主要為推挽式與半橋式，而推挽式多用于小型機、UPS等，我們常見的電源產品則基本都采用半橋式變換。

8 低壓整流濾波電路

經過調制的高壓直流成為了低壓高頻交流，需要經過再次整流濾波才能得到希望的穩定低壓直流輸出。整流手段與高壓整流類似，仍是利用二極管的單向導通性質，將反向波形翻轉。為了保證濾波后波形的完整性，要求互相配合實現360。的導通，因此一般采用快速恢復二極管(主要用于+12V整流)或肖特基二極管(主要用于+5V、+3．3V整流)。濾波仍是采用典型的扼流電感配合濾波電容，不過此處的電感不僅為了扼制突變電流，更為重要的作用是像高壓濾波部分的電容一樣作為儲能元件，為輸出端提供連續的能量供應。實際產品中高壓整流濾波電路、開關電路、低壓整流濾波電路是一個整體，雖然原理與前述基本相同，但元件個數、分布方式會有很大變化。例如采用半橋式電壓變換的電源就有兩個高壓濾波電容，每一路直流輸出對應兩個整流管，各負責半個周期的輸出；而采用單端正激式電壓變換的電源則只有一個高壓濾波電容，每一路直流輸出對應兩個整流管，工作時間按照開關管占空比分配。其他較為重要的部分還有輔助供電電路與保護電路：輔助供電電路一個小功率的開關電源，交流輸入接通后即開始工作。300V直流電被輔助供電開關管調制成為脈沖電流，通過輔助供電變壓器輸出二路交流電壓。一路經整流、三端穩壓器穩壓，輸出為+5VSB，供主板待機所用；另一路經整流濾波，輸出輔助+12V電源，供給電源內部的PWM等 片工作。主動式PFC具有輔助供電的功能，可以提供+5VSB及電源內部芯片所需電壓；故采用主動式PFC的電源可以省略掉輔助供電部分，只使用兩個開關變壓器。

9 保護電路

電源主要的保護措施有7種：

1、輸入端過壓保護：通過耐壓值為270V的壓敏電阻實現：

2、輸入端過流保護：通過保險絲：

3、輸出端過流保護：通過導線反饋，驅動變壓器就會相應動作，關斷電源的輸出；

4、輸出端過壓保護：當比較器檢測到的輸出電壓與穩壓管兩端的基準電壓偏差較大時，就會對電壓進行調整：

5、輸出端過載保護：過載保護的機理與過流保護一樣，也是通過控制電路和驅動變壓器進行的：

6、輸出端短路保護：輸出端短路時，比較器會偵測到電流的變化，并通過驅動變壓器、關斷開關管的輸出：

7、溫度控制：通過溫度探頭檢測電源內部溫度，并智能調扇轉速，對電源內部溫度進行控制；

10 電源的好壞對其他部件的影響

CPU對電壓就非常敏感，電壓稍微高一點就可能燒毀CPU，電壓過低則無法啟動；而硬盤在電壓不足時就無法正常工作，在電壓波動大時甚至會劃傷盤片，造成無法挽救的物理損害；諸如此類，不一而足。在很多情況下，主機內的配件損壞了，用戶只是認為是配件本身的質量問題．而很少考慮可能是電源輸出的低壓直流電電壓不穩所造成的。所以，輸出電壓的波動范圍就是考查電源質量的重要指標之一。目前，一般的電源產品在空載和輕載時的表現都較好(假冒偽劣產品除外)，而重載測驗才是烈火試真金的真正考驗。

參考文獻

第9篇：電源技術范文

關鍵詞:低功耗設計;電源關斷; CPF格式

The Design Implementation Based on Power Shut off Technology

WANG Dian-chao YI Xing-yong Pan Liang

(CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd. Beijing 100102,China)

Abstract:The technology of Power Shut Off(PSO) refers to shutting off the power of the module when it dose not work in a period of time, in order to reduce chip power .The CPF format developed by Cadence company was adopted in this paper to define each low power cell and to introduce implementation flow of PSO through an experimental case. The result shows that the chip's static power can be effectively reduced when the PSO technology is used.

Key words: Low power design; Power Shot Off; CPF format

1引言

隨著系統芯片(SoC) 采用更先進的制造工藝并集成更多的功能,它所面臨的高性能與低功耗的矛盾越來越突出。對于130nm及以下的工藝,芯片的功耗密度越來越高、漏電功耗所占比例越來越大,在90 nm時,靜態功耗在總功耗的比例已經接近1/3,如圖1所示,所以在芯片的設計過程中,除了對芯片的動態功耗進行優化外,還要對芯片的靜態功耗進行有效的優化。

芯片中某些模塊在一段時間內不工作時,通過將其供電電源關斷,從而達到降低芯片功耗的目的。電源關斷(PSO)技術是最有效的降低靜態功耗的技術之一。本文通過采用Cadence公司的CPF格式來定義各個低功耗單元,用實例來介紹實現電源關斷的過程,并對結果進行了分析。

2 電源關斷技術

及CPF格式定義低功耗單元

2.1 電源關斷技術簡介

如果某一模塊在一段時間內不工作,可以關掉它的供電電源。關掉供電電源可以使用設置在模塊頂部或底部的Power Switch開關,通常在使用后端工具進行布局布線時加入。斷電后,模塊進入睡眠模式,其漏電功率很小。喚醒時,為了使模塊盡快恢復工作模式,需要保持關電前的狀態,保持寄存器(SRPG)可用于記憶狀態。 為了使保持寄存器記憶狀態,模塊的電源關斷時,需要常開電源為保持寄存器供電。為了保證在睡眠模式時,下一級的輸入不會懸空,設計中需要插入隔離單元(Isolation Cell),提供一個“1”或“0” 的輸出,使下一級的輸入為確定的邏輯值。綜上所述,電源關斷設計需要工藝庫中提供的低功耗單元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔離單元(ISO)、常開緩沖器(always on buffer)及電源開關(power switch)等低功耗單元。

2.2 CPF格式定義低功耗單元

面臨低功耗設計,EDA工具供應商強調整個流程進行優化來實現低功耗自動管理的概念,同時簡化設計的復雜性。由Cadence公司開發、Si2(silicon integration initiative)的低功耗聯盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行業開放。Synopsys后來聯合Mentor和Magma等公司開發了統一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作為一項Accellera標準出臺。 UPF和CPF命令十分類似,只是各自對應于不同的EDA工具。如圖2所示CPF設計流程。

CPF文件允許用戶在整個RTL-GDSII設計流程中定義功率設計意圖和約束條件,使用Tcl腳本文件,用戶可以使用其中的命令完成諸如建立和管理電源域、確定隔離和保持、定義與電源相關的規則和約束條件等等。

3基于電源關斷技術的設計實現

3.1設計實例介紹

測試芯片采用了電源關斷的低功耗設計技術,芯片中劃分了5個獨立的電源域,其中PD0為常開電源域,PD1-PD4為可關斷電源域,電源域中的寄存器在綜合階段全部替換成了保持寄存器,因此可以在電源重新上電后恢復斷電前的數據。芯片的邏輯部分供電電壓為1.8V,芯片中包含了一塊電源可關斷的SRAM模塊,如圖3所示。

物理實現選用的工藝庫為130nm低功耗庫,庫中包含了電源關斷設計所需要的低功耗單元。

3.2芯片的物理設計

相對于普通設計,在物理實現過程中,低功耗設計有一些特殊的步驟,需要在設計過程中加以注意,如加入power switch開關、添加連接常開電源的well tap 單元等等。接下來將對設計實現中的特殊步驟加以介紹。完整的低功耗設計實現流程如下:

3.2.1 添加 Power switch 開關

對需要關斷的Power Domain,添加power switch開關,在添加開關時要保證power switch屬于所添加的電源區域,同時起始點設置為布線間距的整數倍,否則在布線后插入filler會產生空隙。本次設計中power switch插入的起始點為264,此距離為采用的130nm工藝庫中布線間距(0.48)的整數倍。插入power switch腳本如下:

#PD1

addPowerSwitch-column

-powerDomain PD1

-globalSwitchCellName scs8lp_sleep_head_L

-leftOffset 264 -enablePinIn sleep

-enablePinOut sleepout

-enableNetIn instance_core/UNCONNECTED22

-enableNetOut sw_out

-checkerBoard 1

-horizontalPitch 900.0

3.2.2加入well tap單元:

對于常開電源區和可關斷電源區,需要添加不同類型的well tap,對于常開電源區,加入普通類型的well tap;但對于可關斷電源區,由于電源關斷后,仍然有保持寄存器中的一部分邏輯電路在工作,即保存關斷前的數值,因此,必須對這部分工作的器件進行阱連接。添加特殊類型的well tap。如圖4所示,well tap單元上加有窄的stripe,以保證well tap供電,進而使保持寄存器工作部分的邏輯電路的阱連接。

3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell

對于各個電源區域保持寄存器的控制端,由于受到同一個控制信號的驅動,容易產生信號的延時及max fanout不滿足問題,通常對這些端口的信號線進行buffer tree synthesis,進而對信號到達不同寄存器的skew進行平衡。

隔離單元與保持寄存器單元類似,也要對控制信號端進行buffer tree synthesis。

相應的腳本如下:

#SRPG enable signal buffer tree synthesis

selectNet instance_core/n_594

bufferTreeSynthesis -bufList{scs8lp_bufkapwr_1scs8lp_bufkapwr_4}

-maxDelay 300ps

-net instance_core/n_594

-fixedBuf

-fixedNet

# isolation enable signal buffer tree synthesis

selectNetinstance_core/n_8065

bufferTreeSynthesis -bufList {scs8lp_buf_4}

-maxDelay 300ps

-net instance_core/n_8065

-fixedBuf

-fixedNet

在進行buffer tree synthesis 過程中,一定要設置-fixedBuf fixedNet,否則優化過程中,會使常開的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢復的數值不能正確操作。

3.2.4 Always on pin connected for SRPG

保持寄存器用于受到電源關斷的區域,保持寄存器一般包含兩級:主級與存儲級。主級與本地(可開關)電源軌相連。存儲級與常開電源相連,以便用最小的漏電電流保持正常狀態,存儲級通常使用高閾值電壓晶體管。如圖5所示130nm工藝庫中保持寄存器版圖,其中kapwr為常開電源Pin。

保持寄存器的性能與常規寄存器幾乎完全一樣,不過需要更大的面積和稍高的動態耗電。在正常運行過程中,這些寄存器具有與其他標準寄存器相同的功能,一旦發出保持啟動信號,寄存器就進入保持模式,意味著可以關閉電源,處于保持模式時,時鐘和重置信號不起作用。

在時鐘樹綜合之前,需要對保持寄存器的常開電源Pin進行連接。布線器會把選中的器件、選中的pin連接到指定的電源stripe上去,腳本如下:

#SRPG virtpwr connected by nanoroute

setNanoRouteMode -routeHonorPowerDomain true

setPGPinUseSignalRoute scs8lp_srsdfrtp_1:kapwr scs8lp_bufkapwr_1:kapwr

scs8lp_bufkapwr_4:kapwr

selectNet VDD1V8

setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly true

globalDetailRoute

setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly false

以上幾個步驟為電源關斷設計中相對普通設計需要特別注意的地方,布局布線完成后,需要進行詳細的DRC/LVS檢查。

4芯片的測試結果分析

芯片從Foundry返回后,測試結果表明,芯片可以實現電源關斷的操作,重新上電后,可以實現數據的恢復,如圖6所示。

對于單個可關斷的電源域,動態功耗為:3.04-3.25mA,供電電源關斷后,靜態功耗為: 189-200nA,從上述結果可以看出,芯片采用電源關斷技術,可以有效的降低芯片的靜態功耗。對于手持式設備,芯片的靜態功耗或待機功耗要求苛刻,對一些認證IP,認證結束后,芯片正常工作狀態下,不需要其繼續工作,可以考慮采用電源關斷技術,關斷其供電電源;對于某些特殊的IP或Memory等,也可以同樣采用此技術。

5結束語

電源關斷技術要求從系統級處了解在哪里增加電源門,怎樣及何時去控制這些電源門。同時切斷設計的電源必須能節省功耗,因為在斷電和加電轉換期間的功率純粹是浪費的。斷電和加電要求一定的轉換周期,也需要通過仿真來對比電源關斷時節省的功率以及加電時耗費的切換功率,同時,也必須權衡考慮為實現此省電技術而需要的芯片面積和關斷該設計所導致的任何性能降低。

采用電源關斷技術實現芯片設計,要從綜合階段開始,綜合過程中插入隔離單元并把普通寄存器替換為保持寄存器。接著,物理實現階段必須了解頂部/底部(header/footer)開關的特殊電源連接需求,正確的將開關插入各自的電源域中,同時要添加特殊類型的well tap,以保證保持寄存器常開部分邏輯電路的阱連接,在時鐘樹綜合之前,需要對保持寄存器的常開電源Pin進行連接等等。

為確保流片成功,芯片設計要求通過時序和信號完整性分析,來解決開關中額外的IR-drop壓降、通過隔離單元的時延和控制信號對噪聲的靈敏度問題。等效性檢查應包括電源域識別、隔離/電源開關使能的驗證以及狀態保持的睡眠/喚醒序列檢查等等。

基于以上論述,是否采用電源關斷設計要經過仔細的分析,準確的評估芯片設計中采用電源關斷技術后可以優化靜態功耗的比例。同時,物理設計實現過程中,需要特別注意與其他普通設計的區別。

參考文獻

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作者簡介

王殿超,北京中電華大電子設計有限責任公司芯片工程部 物理設計工程師;