開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的一般考慮
電池輸出電流和輸出電壓的關(guān)系還與溫度以及電池剩余電荷量有關(guān)。如果放電電流太大,會(huì)損傷電池。幾乎所有電池,如果在遠(yuǎn)低于它的工作溫度下放電,也會(huì)損壞電池。例如密封鉛酸電池在低于-10℃不能工作,這就是為什么在很冷的天氣發(fā)動(dòng)不了你的汽車。
制造廠標(biāo)定電池的容量一般以電池具有的電荷量-安時(shí)(電流×?xí)r間=電荷AH)來(lái)表示。這使得電源設(shè)計(jì)者感到為難,你不能夠簡(jiǎn)單得到電池輸出參數(shù)與多大能量的關(guān)系,因?yàn)樗坏扔陔姵厝萘砍艘暂敵鲭妷?;何況輸出電壓又與輸出電流有關(guān)。這些參數(shù)關(guān)系由制造廠以曲線形式提供的,而曲線似乎不能直接找到你設(shè)計(jì)需要的工作點(diǎn),需要從這些曲線來(lái)回參照得到你需要的數(shù)據(jù)。你自己測(cè)試電池是不切實(shí)際的,因?yàn)槊總€(gè)制造廠制造的電池總有些小的差別,所以你不能假定每個(gè)電池具有相同的化學(xué)特性和安時(shí)定額,以及它們?cè)谕粓?chǎng)合具有相同的運(yùn)行時(shí)間。
另一個(gè)現(xiàn)象是自放電。如果你充好電的電池放置在那里,不接任何負(fù)載,它自己會(huì)逐漸失去存儲(chǔ)的能量。失去能量所需要的時(shí)間與化學(xué)工作介質(zhì)有關(guān):如NiH電池24小時(shí);密封鉛酸蓄電池在溫度25℃下約16月容量損失50%,溫度升高10℃,時(shí)間縮短一半。而某些鋰電池可達(dá)幾年不等。所以放置不用的鉛酸電池一般每3個(gè)月得進(jìn)行充放電維護(hù)一次。
電池不可能無(wú)限期充放電使用,電池也有壽命。在一定時(shí)間范圍內(nèi),電池經(jīng)過(guò)多次充電/放電周期以后,不再能存儲(chǔ)額定容量,這個(gè)時(shí)間就是電池壽命的終止。它取決于電池如何工作,它經(jīng)歷了多少個(gè)充電/放電周期,放電的深度如何等等。例如,鉛酸密封電池放電深度50%額定容量,充放電可達(dá)500~600次;放電深度100%,壽命僅200~300充放電周期。即使電池用于備份,所謂浮充狀態(tài)(總是保持充滿狀態(tài)),在5~10年內(nèi)也需要更換。
電池是一個(gè)不愉快的能源,它也是一個(gè)不舒服的負(fù)載。當(dāng)你對(duì)電池補(bǔ)充充電-均衡充電時(shí),你不能用一個(gè)電壓源對(duì)其充電,因?yàn)殡姵爻潆婋娏髋c電壓成指數(shù)關(guān)系,會(huì)造成充電電流熱失控,將導(dǎo)致電池?fù)p壞。因此所有類型電池充電必須采取限流措施。如果電池充滿,即達(dá)到額定電壓時(shí),應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到浮充電狀態(tài),補(bǔ)充自放電失去的能量,以保證電池保持滿容量狀態(tài)。
手冊(cè)中指定充電電流(放電電流也一樣)稱為“C”。1C定額是假定電池充電1小時(shí)達(dá)到電池的額定容量值:例如以1C(20A)對(duì)20AH電池充電一小時(shí)的電池容量為1×20A=20AH。鉛酸電池通常均衡充電電流小于0.3C。均衡充電一般首先以0.15C恒流充電一定時(shí)間,當(dāng)達(dá)到容量的90%后,再轉(zhuǎn)換到恒壓充電,進(jìn)入浮充狀態(tài)。浮充電壓通常由生產(chǎn)廠家設(shè)置。環(huán)境溫度25℃時(shí),一般按單體電池電壓2.23V~2.35V(大部分用2.23V~2.25V)之間設(shè)置浮充電壓。環(huán)境溫度每升高1℃,浮充電壓下降0.005V。充滿電時(shí)單體電池端電壓在2.23V左右。過(guò)充電和充電電流過(guò)大都會(huì)損傷電池,使電池壽命大大縮短。電池充足后,維持自放電浮充電流,一般在0.05C以下。鉛酸電池還不能過(guò)放電,一般認(rèn)為單體電池端電壓達(dá)到1.75V應(yīng)當(dāng)終止放電。所以,要正確使用電池應(yīng)當(dāng)對(duì)電池的充、放電電壓、電流和容量(電流和時(shí)間積分)進(jìn)行檢測(cè)和控制,才能保證電池的長(zhǎng)壽命。
各種不同化學(xué)機(jī)理的電池-鉛酸電池,鋰電池,鎳鎘電池,鋅-空氣和鎳氫(NiH)電池,無(wú)論那種,都具有自身的特性。所以你得花費(fèi)一定時(shí)間去研究它們。最好的辦法是去找愿意和你緊密合作的制造商,并認(rèn)真地聽(tīng)取他們忠告。
1.3負(fù)載
開(kāi)關(guān)電源供給各種不同的負(fù)載,各種負(fù)載都有自己的特性,負(fù)載對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出符合自己特性的要求。因此開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)者必須了解負(fù)載特性,才能做好符合要求的電源。前面討論了蓄電池一般特性,如果開(kāi)關(guān)電源作為充電器對(duì)電池充電。則開(kāi)關(guān)電源必須具有恒流充電和浮充能力。這里不再討論。下面分別簡(jiǎn)要說(shuō)明其它負(fù)載要求
1.3.1 計(jì)算機(jī)電源
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)要求電源高速切換?,F(xiàn)在許多計(jì)算機(jī)電源為3.3V,從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出數(shù)據(jù),要求電源能適應(yīng)30A/μs負(fù)載躍變。舉例來(lái)說(shuō),假定負(fù)載從零變化到7A,花的時(shí)間小于1μs。如果你的開(kāi)關(guān)電源的帶寬20kHz,要變化到新的負(fù)載水平時(shí)間為1/20kHz=50μs,假設(shè)電流上升是線性的,那么你尚缺少的電荷量是(7A/2)50μs=175μC,如果允許3.3V電壓波動(dòng)是66mV,如果此瞬態(tài)能量由電容提供,你應(yīng)當(dāng)需要175μC/66mV=3mF才能避免電壓跌落超過(guò)允許值。
值得注意的是你不能用一個(gè)3300μF電容達(dá)到這個(gè)目的,而是應(yīng)當(dāng)用許多小電容并聯(lián)。這是因?yàn)槟妇€上電壓跌落并不是變換器的帶寬限制,而是電容的ESR造成的。你需要最大ESR為66mV/7A=9mΩ的電容。如果每個(gè)電容的ESR近似為100mΩ,需要11個(gè)電容并聯(lián),最好選擇300μF的鉭電容。當(dāng)然這種計(jì)算是假定變換器輸出到負(fù)載連線是無(wú)電感和電阻的,如果引線長(zhǎng),你就需要更高性能的電源。
在以上計(jì)算中另一個(gè)假定是變換器有足夠的大信號(hào)響應(yīng)。穩(wěn)定性在以后詳細(xì)討論,但你必須確定滿足小信號(hào)響應(yīng)誤差放大器的擺率(slew rate)也應(yīng)當(dāng)是足夠的,但這不總是正確的。變換器的大信號(hào)帶寬不能大于小信號(hào)帶寬,如果運(yùn)放擺率較低,大信號(hào)帶寬可能比較小。
從以上的例子看到為使變換器體積減少,實(shí)質(zhì)上是要變換器具有較寬帶寬和高速放大器。在今天的工業(yè)界,這是繼續(xù)推動(dòng)開(kāi)關(guān)電源向更高的開(kāi)關(guān)頻率(帶寬不超過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的一半)的主要原因,某些變換器的工作頻率現(xiàn)在已達(dá)2MHz,帶寬100kHz。
1.3.2 要求低噪聲
各種負(fù)載要求噪聲是不同的。例如蜂窩電話電源中射頻功率放大器要求低噪聲。變換器電源提供放大器柵極和漏極(放大器由FET構(gòu)成)電壓,如果電源上有變換器開(kāi)關(guān)頻率的紋波,那么放大器輸出也就有紋波,因?yàn)檩敵龉β视蓶艠O和漏極電壓決定,通過(guò)改變這些電壓來(lái)控制輸出功率大小。而放大器輸出是射頻,紋波是載波頻率的邊帶。由于紋波被接收機(jī)作為信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生的邊帶,所以很容易看到你不需要的紋波(諧波)。
有些情況就不一定。你的和提出要求的工程師研究研究,是否一定要很高的噪聲要求,并告訴他,噪聲要求越高,代價(jià)越大。
要滿足低噪聲的要求,應(yīng)當(dāng)考慮電感電流在輸出電容ESR上產(chǎn)生的峰峰值紋波和二極管及晶體管轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲兩者的造成紋波。在要求非常低噪聲時(shí),想用足夠大的濾波電感和多個(gè)電容并聯(lián)是不切實(shí)際的,一般在變換器輸出加后續(xù)線性調(diào)節(jié)器或外加濾波環(huán)節(jié)。
后續(xù)線性調(diào)節(jié)器決不是好的選擇,因?yàn)樾实汀R话愕霓k法在主濾波器后面增加一級(jí)LC濾波器(圖1.2)。如果反饋從原來(lái)輸出電容端取回,主反饋保持原來(lái)的穩(wěn)定性,而與外加濾波無(wú)關(guān)。但外加的LC濾波是不可控制的,當(dāng)階躍負(fù)載時(shí)將引起振鈴現(xiàn)象,破壞了引入附加濾波器的目的。
如果將反饋包含外加濾波器,這將引入兩個(gè)額外的極點(diǎn),這兩個(gè)極點(diǎn)要是處于低頻段,將引起變換器工作的不穩(wěn)定。一般取外加濾波器的諧振頻率為變換器帶寬的10倍,僅需要很小的相位補(bǔ)償處理(在以后詳細(xì)討論),同時(shí)仍然能給開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)?shù)厮p。一般電感取得較小,電容較大,減少變換器的輸出阻抗。串聯(lián)電感在數(shù)百nH到幾個(gè)μH,一般不用鐵氧體磁珠,磁珠不能抗直流磁化,而采用小的MPP(皮莫合金磁粉芯)磁珠或鐵硅鋁磁芯,1匝
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