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电源设计的发展方向——分布式电源设计


 

摘要:由于开关电源技术的发展,使得分布式电源设计成为可能,在控制系统中采用分布式电源的设计思想,对于提高系统的可靠性有十分重要的意义,同时可使控制系统设计人员将主要工作集中到系统本身的设计上。

关键词:分布式电源,报警系统,控制系统


一 现代电源的发展为分布式电源设计提供了可能现在,人类社会已由工业社会进入信息社会,并已经向知识经济的时代迈进,电子工业的发展更是日新月异。而自从80年代以来,电子产品更是朝着轻便、微小型化方向发展,有力地推动了电子元件向轻小型、多功能、高可靠性及长寿命的方向发生变革。同时由于电子工业在技术上、工艺上的进步,以及ASIC(专门集成电路)设计方法的成熟,各种片式元器件已经大量生产,并导致了电子工业第四代组装技术的革命,即表面装组技术(SMT)的出现。同样作为电子产品的一个重要组成部分——电源,也成为是这场革命的受益者,尤其是从传统的线性电源到现代的开关电源原理的提出,电源工业发生了质的变化。在开关电源原理的基础上,将一个完整的电源系统通过高效率的设计及高密度的安装技术封装在一个较小的空间内,其体积、重量大大减小,工作效率、可靠性大大提高,从而使电源模块化、小型化、标准化成为现实。因此我们可以将其作为一个类似电阻的简单元器件来使用,直接安装到电路板上,无须或只须加一些少量的元器件即可完成向系统供电。因此这种电源为我们进行系统设计提供了方便,同时显著地减少了所占电路板和系统设备的空间,减轻了产品的重量和体积;另外由于其效率高(模块化开关电源效率一般都有80%以上,而线性电源一般只有35%~40%),整个产品系统的温升得到大大降低,从而使得系统的可靠性得到大大提高。正是由于其小体积、高效率、高可靠性,使得模块化分布式电源在系统工程中的应用成为可能。目前市场上所有的模块化电源种类繁多,规格从2V~48V,输出功率从几十瓦到几千瓦,选择的余地非常大,性能也非常优越,许多厂家的模块化电源产品已经形成标准化、系列化,并且符合国际上的相关的行业标准。如EOS公司生产的基于零电压、零电流技术VLT100系列产品,大小为3×5×1英寸,功率可到100W,符合UL、CSA、VDE和CE标准。在开关电源设计中,有80%以上的产品基本上是按照用户的要求来研制的,一般来说,目前在消防领域中所使用的电源系统也基本上由专业的电源厂家来提供,即定制电源。而实际应用中消防产品生产厂家提供客户的产品则要根据实际的工程需要来设计,一般来说,工程的不同,设计上有较大的差别,尤其是在系统的配置上的差别很大,而系统配置的这种差别对电源的要求也相应发生改变。目前大部分厂家主要采用的是大马拉小车的办法来克服这个问题,即无论什么样的工程都采用余量较大的电源来供电,很显然,这种设计方法并不合理。由于开关电源设计对模拟技术和高频技术都有较高要求,如果根据不同工程应用要求来设计相应规格的电源需要花费大量的人力、物力、财力,而且现代消防工业由于新技术的应用使得产品更新换代速度加快,在这种情况下仍然采用传统的设计思想、设计方法则得不偿失。为了解决这一问题,我们提出模块供电分布式电源的设计方案。

二、模块分布供电电源的优点所谓模块分布式供电方式是,系统由前端的整流电路提供直流高压电源(36V~48V),再根据负载的各个功能块,分别用DC-DC变换,将前级提供的直流电压变换为各个功能块所需要的电压(2~48V)。而传统的集中供电电源,则是在前端集中输出负载所需要的各种电压,向负载印刷板供电。传统的供电方案如图一所示。而模块分布式电源方案,其中各个电压单元可以根据具体情况增加响应的模块,例如当不同的功能模块上同时需要5V电压时,我们不再采用传统的一个统一5V的供电方式,而是对不同的模块分别提供一个5V的电源。  目前在世界上开关电源占整个电源的比例越来越大,而其中定制电源所占的比例较大,但是从发展过程定制电源解决方案 ,模块分布电源解决方案来看,近年来定制电源的发展趋向平稳,而采用模块化的电源每年以两位数的速度增长。与集中电源相比,由于其结构的不同,分布式电源有许多有优点。1.供电电压不同。例如一个报警系统印刷板需要1kW的功率,电压为5V,如果采用集中供电,则印刷板上的线路输入端口需要通过200A的电流,同时要求电路板的布线有足够的厚度和宽度以满足需求;如果采用分布式供电方式,电流可以大大的减少,因为对于同样的负载电路采用48V电压供电,流过的电流只有20A左右,只有前者的十分之一,可以使用较细的印刷板线路和较小的接线端子。2.电压变化不一样。由于集中供电电源的线路上的电流过大,从而使得线路上的压降较大,对于不同位置的负载,其上的供电电压变化较大,这将对系统的信号传输产生不良的影响。对于分布式电源则没有这样的问题,因为采用分布式电源供电的系统,各个模块上提供给负载的电压只与模块本身有关。现在市场上所提供的DC-DC模块完全能够满足要求,一般模块电源的厂家提供的电源都已标准化,模块的稳定性、可靠性、一致性都较好。3.系统性能不一样。对于集中电源,一旦电源发生故障,会使得整个系统瘫痪,甚至会对系统产生致命的破坏,例如由于某种原因使得输出电压升高,则有可能使印刷板上所有的芯片都暴露在同一电压下而损坏;对于分布式电源,因为各个模块相对独立,相互之间影响比前者小得多,即使其中某个模块损坏,也不会对其他部分产生影响,并且这种供电方式对系统维护带来了极大的方便。此外分布供电方式还有如下的优点:(1)负载数量容易扩展,现代消防系统模块式的设计、标准化设计已经形成趋势,而供电电源的模块化更有实际意义,有利于系统功能的扩展。(2)DC-DC变换器模块分散装置,便于散热,一般变换模块本身功耗较小,分散分布无须增加散热装置。另外也可以增强抗震性和抗冲击性。(3)由于每个模块的功耗较小,为保证电压稳定而采用的调压电容可以使用较小容量。从设计的角度来看,模块分布式电源和定制电源的相互之间的差别比较如下:型类项目分布式电源定制式电源开发周期无须开发时间3~6个月开发费用无费用较高体积较小较大安全标准一般都通过认证,取得认可需要进行认证鉴定产品成本一般大批量生产较便宜适合产品数量小批量生产大批量生产。


本页内容摘自《电气设计信息网》

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