开关电源设计

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1、电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，
还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何方面那
怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可靠性设计
. Z( v$ K) D% ?8 t' x的重要性。
3 H% o; l% I4 x! ~0 Z* \2 开关电源电气可靠性设计
" Y$ j; K; `+ W. w6 X* k( {2.1 供电方式的选择
集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质
) M0 U5 o, J# b* A量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单
元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，
容易组成N＋1 冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高
, l* {7 f; z6 l4 g- x可靠性设备的要求。
+ U7 [9 X4 f+ t3 @) ]2.2 电路拓扑的选择
/ E- m5 Q/ J+ d3 C8 q7 K" h2 c开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推
3 h: z  k+ F9 |6 ]3 F# l: H0 V  x( j挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的
, t: {; C3 P% P$ r7 `3 J承压在两倍输入电压以上，如果按60％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中
可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会
出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60％降
额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。
. T* p' A: c2 t7 \3 l2 X1 }  M2.3 控制策略的选择
. I% B% M: }( c% B7 i在中小功率的电源中，电流型PWM 控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：
4 n, w8 Q( a, Y( G0 L4 E0 q; S逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保
护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。
; ?7 C$ D7 t% V生产实践表明电流控制型的50W 开关电源的输出纹波在25mV 左右，远优于电压控制型。硬开关
* ^# b- L6 a' t8 {技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz 以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器
' ~/ _9 z1 d5 R  K4 M件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆
6 F3 p1 R) t7 e赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM 变换器和谐振变换器两者的优点，接近理
想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但
# I9 H: i% X! ~; `' B3 R* M是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM 技术为主。
2.4 元器件的选用
因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集
# \1 H2 }/ t& C+ B$ P1 Q: [* a中在以下四个方面：
- T+ y) Z7 j) X（1)制造质量问题
. k2 e# h, Z3 K0 F/ I质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除，在工
) z& w0 ~. ?. U+ S+ `& v: E8 f  a/ r程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。
（2)元器件可靠性问题
5 |8 F! p5 i5 f* I* T# i元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是
4 O. [: P& J- _; E6 s$ i元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。为
剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、
早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件失效率降低1～2
6 ]% H7 O$ v) r! I  {$ f) r个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合
) W( W$ F& h+ Q# J5 p算的，研制周期也不会延长。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：
3 s8 V( `' M$ L" x* Y0 m2 _4 b, q5 B①电阻在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。
9 c0 v$ e+ B  o  _2 K- l& ]②普通电容器在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。
) |, I0 e" \+ G/ S③接插件按技术条件抽样检测各种参数。
④半导体器件按以下程序进行筛选：
: u( b: f5 z* c' x! q* J* Y# g目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试

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摘 要：介绍霍尔磁敏元件的工作原理，及其在测量与控制领域中的应用，给出了实验线路。
关键词：霍尔磁敏元件；线性元件；开关元件霍尔传感器因为体积小、成本低、一致性好等优点，因而广泛应用在机械测试、自动化测量等领域。
0 H* e$ r" B7 }1 b9 l! U0 \, o1引言
5 Z% b* Q+ O1 x0 l由霍尔效应的原理知，霍尔电势的大小取决于：
式中，Rh为霍尔常数，它与半导体材质有关；IC为霍尔元件的偏置电流；B为磁场强度；d为半导体材料的厚度。
对于一个给定的霍尔器件，Vh将完全取决于被测的磁场强度B。
: p/ X* W* }  h9 m8 B一个霍尔元件一般有四个引出端子，其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端，另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路，就会产生霍尔电流。一般地说，偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出；若精度要求高，则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度，有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金；这类传感器的霍尔电势较大，但在0.05T左右出现饱和，仅适用在低量限、小量程下使用。
近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种类型的新型集成霍尔元件。这类元件可以分为两大类，一类是线性元件，另一类是开关类元件。
2线性霍尔元件的原理及应用
UGN350lT是一种目前较常用的三端型线性霍尔元件。它由稳压器、霍尔发生器和放大器组成。用UGN350lT可以十分方便地组成一台高斯计。其使用十分简单，先使B=0，记下表的示值VOH，再将探头端面贴在被测对象上，记下新的示值VOH1。
9 r  V/ V7 l& w! BΔVOH=VOH1-VOH
如果ΔVOH＞0，说明探头端面测得的是N极；反之为S极。UGN3501T的灵敏度为7V／T，由此即可测出相应的被测磁感应强度B。
* U; t) s, Q% T- e) F% V& M- u9 c如果采用数字电压表(DVM)，可得图1所示的线性高斯计。运放采用高精度运放CA3130。该电路的具体调零方式为：开启电源后，令B=0，调节W1使DVM的示值为零，然后用一块标准的钕铝硼磁钢(B=0.1T)贴在探头端面上，调节W2使DVM的示值为1V即可。本高斯计检测时示值如果为-200mV，则探头端面检测的是S极，磁场强度为0．02T。本高斯计也可用来测量交变的磁场，不过DVM应改为交流电压表。显然使用图1的电路可以很方便地扩展普通数字万用表的功能。
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( v. M5 V* q) H4 w. a用UGN3501T还可以十分方便地组成如图2所示的钳形电流表。将霍尔元件置于钳形冷轧硅钢片的空隙中，当有电流流过导线时，就会在钳形圆环中产生磁场，其大小正比于流过导线电流的安匝数；这个磁场作用于霍尔元件，感应出相应的霍尔电势，其灵敏度为7V／T，经过运放μA741调零，线性放大后送入DVM，组成数字式钳形电流表。该表的调试也十分简单：导线中的电流为零时，调节W1、W2使DVM的示值为零。然后输入50A的电流，调W3使DVM读数为5V；反向输入-50A电流，数字表示值为-5V。反复调节W1、W2、W3，读数即可符合要求。本钳形电流表经实验，其灵敏度不小于0.1V／A，同样，本电流表也可用于交流电流的测量，将DVM换成交流电压表即可，十分方便。

; P1 l5 I* p0 I# P; q7 j3开关型霍尔传感器的原理及应用
开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。图3是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值。由图3看出，当B=0时，V0为高电平；当外磁场增至BOP时，输出V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP降至BrP时，输出V0由低电平反向，BrP被称为释放点。对于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V～24V。
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UGN3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件UGN3020和磁钢组成测量电路。将具有10个齿的圆盘固定于被测对象的旋转主轴上。当圆盘齿经过测量磁路的间隙时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出10个脉冲，脉冲经过分频后，用频率计即可测出被测对象的实际转速。
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2 \1 Y) f2 d# w/ b; f用集成霍尔传感器还可以组成过流检测保护电路，该电路如图4所示。UGN3020固定于环形互感磁钢的空隙中，调整传感面的位置，即可调节其动作的起始磁场，图中的继电器如用内含双向晶闸管的固态继电器代替，可以组成无触点的过流保护电路。
开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减小。利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端，而且可以对电机直接调速。如日本胜利公司的HR7200型录像机中，采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体，利用霍尔元件IC1、IC2去开关驱动晶闸管，从而控制流过电机绕组的电流方向来完成换向；调速则通过伺服系统控制定子中的电流来完成。由于采用电子换向，该电机运转十分平稳，几乎无干扰。

PaulLinlin

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