电源技术精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的电源技术主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：电源技术范文

作者：张亚婷 丑修建 郭涛 熊继军 单位：中北大学

近年来，为了探索新型的使用寿命长、能量密度高的微能源，国内外学者开始收集人体、声音、道路、高层建筑等周围环境中的振动，以实现微纳机电系统的自我供能，这将有望解决能源微型化过程中电池体积大、一次性使用寿命短、能量密度小等问题。静电式微能源目前，T．Sterken等人［5］提出的静电式发电机采用静电梳齿结构和MEMS工艺，在150V的激励下、振动频率为1020Hz的环境中，获得1μW功率输出；在3750Hz下得到16μW功率。美国Berkeley大学S．Roundy等人［6］研制出的静电式发电机采集120Hz的低频振动（图略），采用变间距式改变电容，仿真和实验结果证实变间距式的结构更有优势，当在120Hz，2．25m／s2的加速度振动下，输出功率密度达116μW／cm2。（图略）为变面积式结构。Y．Chiu等人［7］提出了一种静电式微能源，利用钨球调节装置的固有频率，整合机械开关被安放在换能器内，实现同步能量转换。东京大学T．Tsutsumino等人［8］提出了一种静电式发电机，其利用高性能的有机膜全氟树脂（CYTOP）作为驻极体材料来提供电荷，加载20Hz振动，振动幅度的峰峰值为1mm，最大输出功率达6．4μW。电磁式微能源目前在电磁能量转换研究方面工作较突出的是英国Southampton大学，从2004年开始采用硅微加工技术制作了微型电磁式振动能量采集器，在1．615kHz的振动频率下，输入加速度为0．4g时，其产生的最大输出功率为104nW［9］；此外还提出了一种发电机在9．5kHz，1．92m／s2加速度振动驱动下，获得21nW的电能［10］。D．Spreemann等人［11］设计了一个双自由度电磁式能量采集器，中心转子带动磁铁运动，使磁通量产生变化，产生感应电动势，克服了单自由度能量采集器固有频率的限制，适用于实际环境中的振动。在低频环境中30～80Hz，可得到3mW的功率。H．Kulah等人［12］提出了一种铁圈同振型发电机，通过一个电磁式频率放大器将低频振动转换成高频振动，而输出功率与振动频率的三次方成正比，从而提高了能量转换效率。P．H．Wang等人［13］提出了一种铜平面弹簧式结构，为了获得更低的固有频率，测试结果显示在121．25Hz频率和1．5g的加速度下，开路电压为60mV。以上研究初步达到了电磁发电单独供能的目的，但在提高电源的能量密度和转换效率，以及输出能量收集与控制方面仍需要进行大量的研究工作。

压电式微能源为了在低频低强度的普通环境中提高转换效率，大多数研究对微能源的结构进行了改进。S．Roundy等人［14］制作的矩形单悬臂梁结构的压电发电机在120Hz、加速度为2．5m／s2下，产生25μW／cm2的能量。D．Shen等人［15］研制的低频（183．8Hz）能量采集器，采用单矩形悬臂梁－质量块结构，体积仅为0．769cm3，输出平均能量为0．32μW，能量密度为41．625μW／cm2。E．K．Reilly等人［16］研究了矩形、梯形、螺旋形等不同结构的压电悬臂梁。研究表明，螺旋形结构承受的应力最大，可产生较大的形变，输出较高的电能，梯形结构次之。但是由于矩形结构加工简单，故被广泛应用。2010年，G．Zhu等人［17］收集说话声音，采用竖直结构的ZnO纳米线阵列代替常用的PZT压电材料制成了纳米发生器，通过实验证实了在－100dB强度的声波振动下，输出峰值为50mV的交流电压。近年来国内吉林大学、上海交通大学、大连理工大学等［18－20］也开展了关于压电振子发电的微能源研究工作，并在压电微能源应用研制方面取得了一定的研究成果。通常环境下振动分布在一个较宽的频率范围内，如果微能源带宽过窄，则不能满足实际需求。目前的频带扩展方法主要有阵列式［21－22］、多梁－多质量块系统［23］以及频率可调式［24－25］。阵列式是通过具有不同固有频率的单悬臂梁－单质量块结构来实现频带扩展，即使振动频率改变，某些频率的悬臂梁也会处于工作状态；多梁－多质量块系统是通过使结构某两阶频率接近来实现频带扩展；频率可调式分为主动调频和被动调频。主动调频需要调频器，而调频器耗能大于产生的能量，故不可行；被动调频需要激励和传感器，这提高了复杂性和成本。2006年，M．Ferrari等人［26］提出了一种多频能量转换器，覆盖100～300Hz波段；2007年A．IbrahimSari等人［27］采用不同长度悬臂梁阵列式结构扩大了微型发电机的带宽，在4．2～5kHz的振动频率下，产生4μW的能量，覆盖800Hz的波段。上海交通大学的马华安等人［28］采用永磁铁代替传统的质量块，并且在质量块的上方和下方也放置了不同极性的永磁铁，通过吸引力和排斥力来调整压电悬臂梁的固有频率，固有频率范围拓宽为80～100Hz。电能采集、存储电路微小能量的采集、存储也是微能源系统的关键技术，否则振动产生的微电压并无实用价值。能量采集存储电路主要包括整流电路、升压电路和存储电路。对于此部分的研究已经较为成熟，但大部分都是基于经典的分立器件所搭建而成，具有静态电流高、采集存储效率低的特点。LINEAR公司［29］新推出了一款专门面向能量收集的集成芯片LTC3588，它内部集成了AC／DC、电荷泵以及电源管理模块，可以直接采集微小交流电压信号，持续输出100mA的电流信号，且其静态电流只需950nA。TI公司［30］在2011年底推出的BQ25504芯片，也同样集成了采集存储电路的几个模块，其静态电流仅为330nA，可以将能量存储在锂电池、薄膜电池以及超级电容中，同时其良好的电源管理实现了充放电保护的功能，极大地提高了系统的集成度。它们都具有操作简单、能量采集存储效率高、性能稳定、价格低廉的特点，可以广泛地应用于由振动驱动的微能源系统。电能存储的介质选择也是研究的一项重要内容。沈辉［31］对超级电容、镍氢电池和锂电池的储存电荷能力进行了比较，发现电容器的充放电速度较快，可以迅速地回收产生的电能，同时其充电效率最高可达95％，并且充电次数理论上也可达无穷次；与之相反，电池的充电速度慢，不能立即使用回收的电能，同时其充电效率仅为92％（锂电池）、69％（镍氢电池），使用寿命为500～1000次，但其具有放电时间长、输出电压比较稳定的特点。经过一个月的自放电测试，超级电容自放电效率最高，剩余电量仅为65％，镍氢电池为70％，锂离子电池为95％。但是对于需要经常充放电的场合，自放电可以忽略，超级电容凭借其可以无限次重复使用的特点，受到了科研人员的青睐。三种不同类型的微能源相比较，压电式微能源有结构简单、易于集成和微型化的独特优点，已经应用到生活中。日本的研究员在东京火车站的地面上铺上了四块包含压电发电装置的地板，其可以显示产生的能量，可为自动检票门提供能量［4］。以色列Innowattech公司［32］建立了第一条发电公路，用预制块和环氧树脂作保护，防止压电晶体破损。英飞凌公司［33］推出了MEMS传感器、MCU、RF、MEMS自供电电源四合一的新型TMPS。

电磁式微能源的设计仅在理论指导下进行，对器件进行仿真分析较少［34］，所以，难以得到最优的结构模型；压电微能源的大部分研究都通过改变几何结构来降低共振频率、优化电路以提高能量转换效率，而对于研究新型的压电材料来提高系统性能的研究相对较少；由于MEMS的微加工、微装配与封装技术处于发展阶段，使得振动式微能源不能按照设计要求达到精确制作与装配，从而难以得到理想结果。振动驱动微能源技术存在以下应用方面的问题：实际生活环境中振动频率范围比较宽，从十几赫兹到几百赫兹，至今没有提出有效调节频率的方法。因此，有人提出使用非线性振动模型来研究微能源［35］，但目前，这方面的研究还很少。储存电能的介质需要做进一步研究，特别是超级电容，其放电速度快、输出电压不是很稳定的特性需要改进。理论上微能源具有寿命较长的优点，但是实际应用环境中振动加速度和频率对微能源寿命有很大的影响。振动驱动微能源已成为各国科学家研究的热点。目前，电磁式、压电式微能源的研究相对较多，但是为了提高其性能指标，从而更快应用到实际中，振动式微能源的结构还在不断得到改进、优化，并且提出新的结构模型。而静电式微能源由于需要外部电源，限制了其应用，因而研究相对较少。振动驱动微能源技术向低频、多频、宽频、非线性振动模型、复合微能源发展［36－37］。同时，将几种不同转换形式的微能源集成在同一芯片上，可以综合不同原理微能源的优点，提高能量密度，这些都是微型化和实用化的关键。振动驱动微能源有望为野外和置入结构的微系统提供高可靠、长时间的电能，为无线传感网络节点和便携式微电子产品提供充足的电源，所以研究振动式微能源有重要的实用意义。

第2篇：电源技术范文

1.电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2.现代电力电子的应用领域

2.1计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

2.7大功率开关型高压直流电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3.高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

3.2模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

3.3数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在

六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在

八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

第3篇：电源技术范文

1．1问题的提出

80PLUS是一项针对电源所做的新标准，它的核心是加载主动式PFC电路模块用于提升计算机设备的使用效率。保证电源设备在22%、48%，以及满载时有大于84%的转换效率。简单的说，就是在不同的负载程度，能够减少多余电能转换成的废热，来降低电源的使用成本。在中国这笔费用是由各个电源生产商向国家节能减排部门进行申报后获得的。该标准最早是由美国能源局制定的效率标准，针对桌面型台式机、高性能刀片服务器及工作站所制定的节能规范，希望借此来提高计算机内部电源设备的效率与功率因数比值，减少EMI谐波危害，降低设备的发热量，以达到节能目的。图1显示转换效率从低到高分别是80PLUS的6个标准:白牌(标准版)、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金从上到下依次提升。PFC效率因子数值越高表示这台电源越优秀。相比普通的被动PFC电源，80PLUS标准有许多优点。

1．2主动PFC电路设计能够延长的使用寿命

图2显示了被动PFC电源的热功耗模式，根据功率校正决定电源适配器转换效率的关键在于能将百分比之多少的输入转换为输出，由于剩下的电能会转换成废热。废热的产生会增加很大的电源噪音，而风扇需以高转速来带走废热，来保证电源内部不会过热触发报警装置。目前我们所使用的电源风扇都是普通油封轴承，这种轴承的好处就是成本低，便于大面积使用。缺点是寿命短，油一旦消耗完后会产生巨大的摩擦噪音。因此，减少废热、保持低散热需求的好处即是增加电脑电源的耐用度。

1．3主动PFC电路设计能够减少热辐射功耗

例如，一个转换效率65%的额定600瓦的电源设备，在100%负载时会消耗600瓦的电力，剩下的180瓦则会转换成多余的热能。如果该电源供应器转换效率为80%，在90%负载时只需要540瓦的电力供应，那么就只有60瓦的电力转换成热能。所以如何减少这些热能非常重要，由于目前科学技术的限制，人类还无法去收集这些多余热能进行储存。因此，减少这些无用的电子消耗显得非常重要。采用温控装置的电源风扇就不必在高转数情况下进行工作，这将有效的降低电源噪音和电源内部的发热量。让电源内部的元器件保持在正常温度系数范围内进行工作。

2主动PFC技术的实用价值

2．1有源PFC电路模块的重要性

节能减排一直是很多单位关注的，80PLUS电源能够做到为机房节能。这得益于80PLUS标准电源的高功率因数(PFC值)。PFC的全英文名为“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因数调整值”，用来表示有效功率与总耗电量(视为额定功率)之间的比值。电网供给电源的能量并不能100%被电源所利用，在电源和电网之间会存在不小的电能损失部分。这个时候PFC就诞生了，目前的PFC电源分为主动式(active)和被动式(pas-sive)两种。被动PFC电路的功率因数一般只有70－78%，有的甚至连70%都达不到。而且电源非常沉重，不利于运输。而主动PFC的功率因素通常保持在90%以上，甚至达到95%。由于不需要庞大的电感，因此重量得到了大幅度的减轻。

2．2宽频电压输出

主动PFC还有另外一项重要的附加价值，即它可以适应90Vdc－260Vdc的全范围电压，可以全球通用，特别是对于电压不稳的地区有重要的使用价值。在我国的贫困地区，及地震灾区，当地电力部门无法保障220V稳定电压的环境下，使用主动PFC的设备能够有效缓解电力异常波动造成的瞬时断电设备重启问题。在边远地区使用主动PFC设计的电源系统能够有效保障学校、医院重要部门的不间断运作。

2．3单位耗电量的下降

注意:为了满足能源之心(ENERGYSTAR)的规范指标以及国家降低碳排放的强制要求，即功率因数越大，对节约电力能源越有好处。主动PFC电源为了保证更高的转换效率，在产品的设计与用料上，都较传统电源要复杂和考究得多，这带来了生产成本的上升。但考虑到在工业用电方面的开支减少，特别是现在很多大学机房机器数量都在数千台以上，是一些专业实验室，常年24小时开机进行数据运算实验。如果按照一年一台PC即可节省200元人民币，这笔费用扩建机房升级设备都绰绰有余，从长远利益来看，未来终端用户应该多考虑带有主动PFC模块的电源。

3主动PFC技术的实现

图3显示的为PFC升压预转换器的构成，这里需要安置一个线圈，通过一个二极管和一个PF开关。蓝色箭头所指的波形电感需要一枚加载PFC预调节器而设计的功率因数校正控制器电路。这里我们使用ONSEMI半导体(MC33368和MC33260)，均工作在临界导电模式中，而NCP1650则工作于连续导电模式。通常将临界导电模式用于300W以下的功率因数控制电路。而CCM连续导通模式用于400W以上的功率因子电路模块。随着机房在教学上开设了matlab，大型数据库等课程，这些课程对计算机的硬件要求非常高，特别是大数据运算这样的模型搭建。为了满足这些设施要求，必须使用额定功率在400W以上的电源才能满足需求。CCM电路拓扑就是为了通过80PLUS标准设计的，一般采用正激拓扑(又分为单端正激拓扑和双管正激拓扑)较之前机房所使用的被动PFC普通电源，通常采用半桥拓扑。半桥拓扑均采用三极管做主开关管，正激拓扑采用MOS管进行设计，但是这样的设计会导致开关损耗均远大于MOS管。而且这类电源非常笨重。因此，半桥拓扑的转换效率一般刚刚能够突破70%，而双管正激拓扑的转换效率基本都能接近80%，设计和用料较好的就能达到85%以上。双管正激拓扑相对于半桥拓扑的另一个优势就是纹波要小得多(由其工作原理所决定)。开关电源的输出电压会有一些不规则的小幅波动，波动幅值范围一般是几十毫伏，称为纹波。纹波干扰在机房是非常普遍的一种电磁干扰，特别是机房其它的非兼容设备比较多的情况下。会造成液晶显示器摩尔纹的显示故障。这种故障会影响显示器使用者的体验感受。从另外一个方面来说，计算机的板载芯片对纹波有一定的耐受能力，但这样的范围是非常有限的，这将会导致声卡的模拟放大电路会受纹波影响导致音质失真。特别是语音室对杂音过滤的要求非常的高，而正激拓扑的纹波更小，即电源输出的电压更平稳，电流更纯净，从而延长各部件的使用寿命，更可以减少令人头疼的EMI电磁干扰问题。

4改造主动PFC电源负载性能测定试验环境

INTELXEONE－1230v316GAPACERDDR31866×28×2TRAID0磁盘阵列。额定600W电源运行测试国际象棋算法及图形4D渲染。电路板在满负载、低电压线路下工作30分钟后进行测量。所有测量是在没有中断的情况下连续进行的。采用HP34401A万用表在测试端直接测量。输入功率根据如下公式计算:Pin(avg)=Vin(rms)•Iin(rms)•PF机箱盖板打开、侧板无12cm风扇、仅使用slient模式CPU风扇运转。图4600W额定电源测试的转换效率这些结果是在一种相对高频的应用中获得的，轨迹线显示了线电压在不同负载时的效率，以中国境内230V电压标准，效率始终高于95%。100%负载下转换效率略有下降，且此时电源发热量会非常大，但相比于被动式PFC的电源来说，这样的发热量已经减少了很多。

5结语

第4篇：电源技术范文

关键词：开关电源的电磁干扰 抑制技术

中图分类号： TL62+9 文献标识码： A

前言

开关电源是目前电子设备中应用最为广泛的一种电源装置，具有功耗低、效率高、体积小等显著优点，主要应用在计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器等系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统安全性和可靠性的高低。

一、开关电源电磁干扰的产生机理

1 二极管的反向恢复时间引起的干扰

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di／dt)。

2 开关管工作时产生的谐波干扰

一般情况下，功率开关管在导通时，都会流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。

3 交流输入回路产生的干扰

无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

4 其他原因

元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置以及方位的不合理都会造成EMI干扰。

在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器部分(DC／DC部分)；尽管噪声频谱很宽，但主要分布在低频段。功率变换部分和控制模块一般都安装在同一个PCB上。前者在多数情况下都是干扰源；后者则属于弱电部分，是敏感设备。PCB走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，因而增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度，因而控制模块可能会受到干扰而不能正常工作。

5 开关电源EMI的特点

作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高(从几十千赫兹到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。

二、开关电源工作时的噪声源及抑制

1开关电源工作时的噪声源

产生噪声的来源很多, 如外来干扰、机械振动、电路设计不当、元件选择不当以及结构布局

或布线不合理造成的电源噪声增大等。 在开关稳压器中, 功率三极管和二极管在开-关翻转过程中所产生的射频能量已成为噪声的主要来源之一。 由于频率较高, 它以电磁能的形式直接向空间辐射, 或以干扰电流的形式沿着输入、输出端的导线传送。 开关电源工作时所产生的高次谐波窜入公用电网, 对使用公用电源的其他电子设备产生干扰, 同时其本身也受到来自公用电网及空间的EMI 信号的干扰。

2噪声源的抑制

（1）采用无源滤波器

抑制高次谐波电流噪声最简单的方法是在电源的输入部分附加扼流圈。 这种方式的优点是增加元件数量少、可靠性高且成本低廉, 但因附加扼流圈而使体积增大。 对EMI 信号的抑制可用EMI 滤波器。 EMI 滤波器包括电源EMI 滤波器、信号线EMI 滤波器、损耗线EMI 滤波器、印刷电路板EMI 滤波器等。它是由正态电感器和共模电感器组合而成的。 前半部是正态电感器, 其作用是抑制高次谐波; 后半部是由共模电感器和电容构成的EMI 滤波器, 抑制EMI 信号。 共模电感器L1、L2 是绕在磁环上的两只独立线圈, 线圈匝数相同, 绕向相反, 致使滤波器接入电路后, 两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消, 不会使磁环达到磁饱和状态, 从而使两只线圈的电感值保持不变。 磁环的另一个作用是对有用信号( 基带信号) 相当于短路不产生任何影响, 专门吸收调频干扰信号能量, 可提高抗干扰能力和静电放电( ESD) 干扰能力。 但是, 由于种种原因, 如磁环的材料不可能做到绝对均匀, 两只线圈的绕组也不可能完全对称, 使L1、L2 的电感量不相等, 于是L1、L2 之间存在电感量差值, 称之为差模电感。 共模线圈和Cx 组成L- N 独立端口间的一只低通滤波器, 用来抑制电源上存在的差模信号。 如果在相线和中线的共模干扰电平不相等, 在Cx 电容器上就会出现共模电流, 在Cx 电容上引起共模压降, 进一步降低共模干扰电平。

（2）采用有源滤波器

采用有源滤波器能使用较小容量的滤波电容来达到较好的滤波效果。 图2 所示电路是一种有源滤波器电路。 它是利用晶体管的电流放大作用, 通过把发射极的电流折合到基极, 在基极回路来滤波。 R1、C2 组成的滤波器使基极纹波很小, 这样射极纹波也很小。 由于C2 的容量小于C3, 减少了电容的体积。 这种方式仅适合低压小功率电源的情况。

（3）采用双变换器方式

在开关电源中采用双变换器方式进行高次谐波抑制是目前常用的方法。 所谓双变换器方式, 利用前级的升( 降) 压斩波器, 在输入电流波形正弦波化后, 由PFC 电路对其功率因素进行改善控制, 同时利用后级的DC- DC 变换器进行输出稳定化控制。 实质上, 变换器起到有源滤波器的作用。 这种方式尤其适合高压大功率电源的情况。

（4）采用零电压开关、零电流开关电路

采用零电压、零电流开关技术可以使高次谐波抑制和EMI 信号抑制能力得到很大的提高。开关电源在开关工作时, 由于储能元件的储存及释放电能是造成电磁干扰的关键原因, 因此, 如果能实现开关电源在零电压、零电流时进行转换, 就可以有效地抑制干扰。 零电压、零电流开关技术是目前抑制开关电源干扰的一种最新技术。 它分为软开关启动技术和串联谐振变换技术。

软开关启动技术: 开关电源的输入通常是由交流电网供电, 经整流滤波产生输出。 由于电压高、电容量较大, 在电源合闸瞬间将产生很大的充电电流, 其最大峰值电流可达稳定值的几十倍。 这种冲击电流后果会给输入电网造成很高幅度的尖峰干扰。 软启动技术是在输入回路中接入限流电阻, 待启动完成后再将串接电阻短路。

串联谐振变换技术: 由于开关电源通常采用PWM( 脉冲宽度调制) 方式, 这种方式的主要问题是元件进行接通和断开时, 会产生电磁干扰、浪涌电压及开关损耗。 所谓谐振方式是指在开关电路中设置由电感和电容构成的谐振电路, 使电路的电压或者电流谐振, 并当其电压或电流变为零时, 使主电路开关接通或者断开。 即当开关元件之间的电压为零时, 施加接通信号, 并使断开时的电压为零伏, 即实现零电压开关, 使开关的电流上升缓缓变化, 实现零电流开关。 采用集成电路UC1864 或UC1865 便可实现零电压开关或零电流开关。

（5）其他技术

在开关电源中, 抑制EMI 信号和高次谐波的方式还有许多, 如元件在电路板上的布放方法、尺寸、位置, 采用简化电路程式; 在变换器上设置第三绕组; 简化PFC 电路、减少开关器件数量; 采用保护电路, 当浪涌电压进入时, 禁止大电流流过开关器件等。

结束语

随着现代电力电子技术的发展及半导体功率变换器件性能的不断提高，开关电源技术越来越成熟，价格也逐步接近传统的线性电源，其应用范围也日益广泛。

参考文献

[1] 王敬斌。开关电源的电磁干扰及抑制技术[J]. 广东输电与变电技术. 2009(03)

第5篇：电源技术范文

本文探讨电子产品中的能量损耗并探讨用于减少能量损耗的技术。如果广泛应用这些技术，潜在的能源支出将节省达到每年600亿美元。如果你是电源电子产业的专才，这就是你跻身“绿领”的机会。一些实据　如今，美国每年的碳排放量是27.5亿吨。如果延续当前的轨迹，到2050年将增加超过40％。这排放的一大来源便是烘烤和烹调系统、照明、电器和电子设备中所使用的电力。电源电子工程师在保护地球宝贵的资源中能够发挥重要的作用。下面是一个简要分析。

1　美国所有电力应用中的6％～10％是在电源从交流(AC)转换到直流(DC)。

2　由于现有电源效率欠佳，美国所有电力消耗的3％～4％是在电源内部消耗的。

3　以更好的设计、使用IC控制器、场效应管(FET)和二极管等最新的电子元器件来增加电源的效率，能节省美国所有电力消耗的1％～2％，也就是每年30～60亿美元的节省潜能。

上述分析提供了电源转换机会的宽泛估计，但缺乏必要的详细数据，那么，就让我们研究得更深一点……

住宅用电部分

美国每年的住宅电能消耗总量达13000亿kWh。其中，17％来自“插头负载(plug load)”，耗电量达到2210亿kWh。这部分的电能消耗可划分为占31.1％(687亿kWh)的信息技术产品，占41.3％(913亿kWh)娱乐产品，“其他”占27.6％(610亿kWh)。图1显示了这种电能消耗划分。

如果只计算IT和娱乐产品的话，其电能消耗就是1600亿kWh。按照每0.1美元／kWh计算，每年的电能支出就是160亿美元。将这些用电设备的效率提升20％(务实的目标)，就能够节省32亿美元，可与早前30～60亿美元的数字相比，而后者还包含了商业用电部分。

商业用电部分

美国每年的商业部分电能消耗为12300亿kWh，其中9％(1107亿kWh)来自办公设备。假设办公设备的电能消耗能够降低15％，潜在的电能节省达166亿kWh，以0.10美元／kWh计算，就接近17亿美元。

将不同部分的节省潜能相加

对于美国而言，如果提升常见电子产品的电源效率，结合住宅和商业用电部分能够节省总额达49亿美元的电能开支。更高效的产品工作模式设计所带来的节省还能够产生更多的效益。

功率是如何损耗的，针对功率损耗采取了什么措施

在电子设备，功率损耗分为两部分，分别是待机损耗和工作损耗。待机损耗在设备(计算机、电池充电器、电视机等)关闭时出现，这时设备仍在消耗功率；而工作损耗则是由通常在电源中的电源转换阶段的低效所导致。在家庭应用中，待机损耗预计占到总损耗的25％，而工作损耗占余下的75％。

近年来，所做的很多工作都旨在提升公众对电能节省的兴趣，而世界各国政府启动了很多自愿性和强制性的项目来促进更高效产品的设计和电能更被善用。在美国，最成功的一个例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，这是一个自愿性项目，旨在推广更高效的产品，并鼓励消费者来购买这些产品。“能源之星”项目的基本途径是调查现有产品，并设定一个产品要获得ENERGY STAR标签所必须符合的阈值，如图2所示。

另外一个例子：80 PLUS计划

如省略/网站上所述，“80 PLUS计划是一个开创的平台，联合电力公用机构、计算机产业和消费者，在计算机和服务器应用中，以突破性的方法来推广高能效电源。”这规范要求在满载的20％、50％和80％下都具有80％或更高的电源效率，并具有0.9或更高的功率因数。这个计划启动于2004年，由美国的Ecos Consulting管理。如今，超过450款台式电脑电源已经获得80PLUS标签认证。此后世界各地出现了越来越多的类似规范。

功率因数校正

除了低待机能耗和高工作效率，第三个要求――高功率因数，通常也非常重要，80 PLUS规范对此就有要求。在大多数国家，在连接至主电源的输入功率为75W或更高的产品中需要低输入电流谐波。在开关电源中，这个要求通常以增加功率因数校正(PrC)升压预稳压器来实现。这种升压预稳压器改变输入电流，来匹配输入电压。这就将输入谐波减到最少，并降低了输入电流的均方根(rms)值。这就节省了电力公司生产无功功率的成本，并将电力基础设施高昂的扩展成本减到最小，为电网提供更大的电流。

电源电子设计人员面对的三重挑战

在待机能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就构成了当今节能型电源转换的景象。如今的电子产品包括电源的设计人员，必须洞悉这三项要求，并且随时准备在设计的时候将其考虑在内。仅就清楚这三项要求而言就是一项挑战，因为世界各地围绕这些要求的规范标准正不断涌现。

为了符合这些不断演进的要求所面对的挑战，电源管理制造商协会(PSMA)，省略，已经开发出一个交互式能量规范数据库，方便电源设计人员快速地浏览不同地区、应用、国家或机构的规范。如今，随着不同规范易于获知，设计人员已经准备好为拯救地球展开工作!

电源能效设计

第6篇：电源技术范文

关键词：自控系统；开关电源；冗余技术；监控技术

中图分类号：TM761

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）20-0128-02

1　概述

中型线自控系统由于运行时间长、运行环境恶劣，系统面临模板严重老化的问题，部分设备的使用年限已经到期，随时可能损坏，尤其是控制用的24V开关电源，连续出现故障，给生产维护带来不利的影响。为解决这个难题，通过对原控制电源系统进行了解剖分析，根据PLC系统运行的实际需要，进行开关电源冗余系统设计及运行监控，使其运行可靠、稳定，能够长时间地连续稳定运行。

2　应用的主要技术

2.1　冗余控制技术

经过对原控制电源系统进行解剖分析，了解供电系统的功能特点，弄清楚了系统冗余设计的方法。根据PLC系统运行的实际需要，从可靠性、稳定性方面进行控制电源冗余系统开发，可靠性指其中一个电源出现故障时，另外一个电源能立即投入，保证实现无缝切换；稳定性指冗余系统中的每个电源系统都

能达到长时间的连续稳定运行，故障率低。

通过冗余控制，实现备用电源的无缝切换，提高了电源系统的稳定性和可靠性，保证PLC系统的供电正常。通过大量的实验，测试冗余控制的自动切换功能和实际的控制水平，达到预期的效果，满足了要求，开关电源系统真正实现了冗余控制。

2.2　FIX 监控技术

电源的运行状态监控软件采用美国Intellution公司的FIX DMACS软件（6.15版）。FIX软件是一种工业自动化组态软件，FIX提供了监视、操作、历史记录、历史/实时趋势图、报警和安全防护功能。FIX的I/O驱动程序软件从I/O设备中读取数据并把数据传入驱动程序映射表（DIT：Driver Image Table）的地址中。

扫描、报警、控制（SAC）程序从DIT中读数据，并将处理后的数据传输到过程数据库中。内部数据库访问功能从本地或远程的数据库读取数据，并将这些数据传输至请示的应用程序中去，监控功能非常完善，通过实时监控技术，对现场所有的控制电源运行情况进行了有效地监控，在其出现故障时可以得到及时的反馈，根据情况进行相应的处理，方便了

维护及故障的处理，保证了系统的稳定运行。

3　冗余控制及监控设计

3.1　冗余控制

图 1 电源冗余系统图

为了有效地消除上述这些情况对电源系统的不利影响，采用了以下的冗余控制方式，使用了两个相同的直流电源控制，其中一个作为备用，每个电源通过大功率的整流二级管后，并联输出，在输出侧将继电器连接到电源的正负极，引一对触点到模板，作为电源正常信号，原理如图1所示。

中型现场电气室共有24对这样的冗余电源控制系统，分布在近800米的控制室内，因此常规的维护很不方便。通过上面的设计，我们对这些控制电源进行了有效地画面监控，每个电源的输出侧都有一个继电器线圈和24V的正负极相连，从每个继电器引一对常开触点到数字量输入模板，作为该控制电源运行正常的信号，通过控制程序及画面的编制，将该信号点的状态显示做到画面上显示用于监控。

3.2　优化控制

由于系统控制设备较多，之前为了故障排查快速简单，已经对其控制电源进行了改造，对每块模板的供电电源正负端均增加了隔离保险，减少了故障的连锁反应，降低了故障点。由于到现场的控制信号的公共线路设计时的原因，其公共端线路连接比较繁琐，查找比较麻烦，当时改造时没来得及完全分开，现在公共端分得不彻底，导致故障查找比较费时。针对现在的这种情况，进行了多种改造。

3.2.1　剥离不使用设备的线路

现场控制系统运行了十多年，有些设备经过改造，已经弃之不用，本打算线路以后可以作为备用，只在现场做了处理。现在将这些设备的所有信号从控制中解除，以防由这些不用的设备引起不必要的故障。

3.2.2　多路等级电源公共线合一

控制系统的DC24V电源输出端分别控制其相应的设备，电源负端没有进行接地处理，这只有各自的正负端之间相对电源为DC24V，和其他的都是独立并存，互不相干。如果有一个负端接地，就会引起故障。因此现在考虑将所有控制柜内的24V电源负端都连接在一起，形成一个公用的负端，将各个的负端电势拉平。如果有一路负端接地，就会有其他的负端将其电势拉平，不会造成大的故障停机。

3.2.3　将公共线最小化分类

在控制系统的原设计中，一块24V电源所控制的设备是共负极的，公共端是并联到中继柜后到现场设备的，一旦出现电源负端接地，查找起来非常麻烦，要一个设备一个设备地排查，费时费力，影响了现场的生产。所以考虑将电源的负极尽量按最小化分类，多加几路保险，将公共端进行分离，对不同的设备分开控制。这样分开后，一是故障影响面比较小，一旦出现故障只能影响到其保险下的有限设备，不会波及其他的设备；二是查找故障比较容易，可以根据保险的熔断情况直接查找其所带的几个设备就行，不会再和原来似的大海捞针。

3.3　故障监控

本套故障诊断系统以东芝VTOOL编程软件、IFIX监控软件为开发平台，开发了故障报警画面、故障报警记录和故障查询三种诊断方式，它们相辅相成，并可随着事件库和经验库的完善而进一步完善。

图2 24V电源实时报警画面

利用VTOOL软件和IFIX软件共同开发的实时报警画面如图2所示，在IFIX监控系统的数据监控中添加电源故障信号的采集，画面中的每一个小图形都对应了现场的一个信号，并作为数据库中的一个点，设备的输入、输出情况由NV控制器进行读取，并通过以太网与IFIX中的数据点对应。当某个电源异常时，相应的继电器线圈失电，常开触点断开，画面上就会出现相应的声光报警，根据报警点的标识，及时对该电源进行更换，方便了维护对其进行监控和维护，及时了解该类信号的运行状态。

4　效果及应用

第7篇：电源技术范文

1．1基本拓扑

基本的拓扑包括BUCK、BOOST、BUCK－BOOST、CUK、正激变换器、反激、半桥、全桥、推挽变换器。在课堂教学中应该使学生熟练掌握其工作原理、应用场所、电流连续和电流断续的工作波形、拓扑中的关键参数的计算，为学生设计基本的开关电源电路打下坚实的基础，这是第一层次，要求学生必须熟练掌握。尤其要着重讲解基本拓扑BUCK变换器，因为很多拓扑结构甚至是基本拓扑都可以由BUCK变换器变换得来。如果能在课堂上重点讲解BUCK变换器，使学生完全掌握BUCK变换器的原理和波形，对学生后期的开关电源学习将会大有助益。第二层次是以基本拓扑为核心部分的主功率电路各部分参数计算，相当于电源工程师的项目计算书部分，这也是电源工程师必须掌握的基本技能。由于课上时间有限，教师在课上会把拓扑中关键器件主要参数的计算方法给出，不可能把所有的参数计算一遍，所以导致有些学生就停滞在这个层次上，没有在课下把所有的参数，尤其是关系到器件选型的参数进行设计，为了解决这个问题，在课程中后期安排学生团队制作实物开关电源，在这个过程中就必须要对每个计算参数都要反复核算，这个教学环节取得了较好的效果。第三层次是主功率电路器件选型和调试，基本上只有参加过实物制作、电子设计大赛、实习项目的学生有机会达到这一步，通过实际存在的问题，就问题去解决，才会在实践当中结合他们上课学习的电源理论切实地体会调试电路的乐趣。

1．2PWM和PFC控制芯片

这部分会通过调研报告的形式让学生先去搜集相关PWM和PFC控制芯片的最新信息，先让学生去感知、去了解现在出来最新的控制芯片已经可以做到哪些功能了，此外重要的是积累总结每一个拓扑可以有哪些控制芯片来控制。让他们自己去发现问题，感知问题，带着问题和好奇，在课堂上授课教师会深入讲解PWM控制芯片的基本控制原理，通过工程项目详细讲解如何快速掌握一个新的控制芯片每个引脚的功能，电路的设计方法、元器件参数计算方法，使学生掌握如何用控制芯片来控制变换器实现电能的变换，学会设计控制芯片与变换器的连接电路，即检测电路和功率管的驱动电路。在课堂上教会学生使用PWM控制芯片数据说明书设计控制电路达到层次一，在课程学时中专门安排学生学习控制芯片电路的设计方法和参数计算方法达到层次二，不仅让学生掌握一种控制芯片的电路设计方法，更重要的是举一反三，在以后的设计和工作岗位上面对新的平台和控制芯片依然可以设计出符合要求的电路。

1．3变压器和电感设计

授课教师在课堂教学中依据教学改革培养电源工程师为目标不仅要介绍变压器和电感的各个参数的计算方法，还会结合实际项目讲授变压器同名端和异名端在实际电源制作时的注意事项，变压器的制作方法，掌握电压器参数的测试方法和测试工具，掌握用示波器和信号发生器测试变压器的匝比和同名端的方法。变压器和电感的设计直接关系到隔离型变换器的性能，很多学生对变压器和电感磁路设计部分学习起来会有些困难，所以这部分将作为课程的难点来重点讲解。

1．4保护电路设计

课堂教学中一部分学时将用来着重讲解各种保护电路，包括输入输出过压保护、过温保护、过流保护、输入欠压保护等。将采用调研报告、启发式和讨论式等教学方法引导学生去积累这些保护电路，学会在不同平台、不同应用场合使用不同的保护电路。

1．5闭环电路调试

结合自动控制原理课程的相关知识，着重讲解开关电源闭环电路的设计和分析，尤其是PID调节器的调试方法，结合实际项目演示电源工程师闭环电路调试过程，激发学生学习开关电源的学习兴趣，通过实物和仿真软件让学生体验调试的乐趣，这部分是开关电源课程重点讲解的内容，要联系实际项目，是课程的核心内容。以上5个部分是课程的主要教学内容块，完全按照培养电源工程师的目标下制定的教学计划，可以做到较好地给学生从课堂到就业的过渡，而不再是到了工作岗位上感觉课堂学习的东西和实际工作联系不紧密，什么知识什么技能都要工作之后学习。在课堂上，保证学生完全掌握第一个层次，通过课后作业、课堂实际项目案例、电源制作等形式的教学方法使大部分学生掌握层次二，在平时的教学中注意动手能力强或者电路设计能力强的学生，通过带学生电子设计大赛、创新大赛，或者学生在项目中辅助教师担任研发助理的工作等，使一部分学生研发能力可以快速提高，培养成具有基本技能的初级电源工程师。

2课程考核方式改革

考虑到开关电源课程的实践性强的特点，着重考核学生掌握所学的基本电路拓扑理论和技能，能综合运用所学知识和技能去分析电路、调试和测试电路、分析电路故障及排除电路故障的能力。

2．1制作电源实物

基于课堂系统的理论学习，独立制作75W单管正激变换器实物的能力考核，该正激变换器采用何种磁复位技术不限，根据班级人数，3～4名同学为一个小组，明确不同分工，共同制作出一款正激变换器。同时培养学生的团队合作意识，考核的内容也要增加当该团队遇到分歧和困难的时候，是如何解决的。

2．2课堂表现

主要是包括回答问题的情况，对问题分析的程度，出勤率，在平时小组讨论时的表现和活跃程度。

2．3科研报告、口头汇报

通过让学生搜索近3年国内外开关电源、尤其是通信电源技术和产品的最新发展概况，增强学生的自我学习能力，在以后的学习和工作中掌握更新自己开关电源知识体系的能力，这是我们教学的重点，不只是教会学生电源的基本知识，还要教学学生学习探索开关电源领域的学习方法。选取部分优秀学生的科研报告由学生浓缩成5分钟的口头汇报结合PPT、实物动画等多媒体展示方法在上课前5分钟做口头汇报分享给学生们。不仅较好地激发学生学习开关电源的兴趣也能够充分锻炼学生的公开演讲能力。

2．4作业

作业着重在学生是否是自己独立完成的电路设计，而不是应付了事。哪怕学生的设计内容很少，但是只要是他们自己经过思考得来的就要比其参考其他人的作业效果要好很多。

3开关电源技术教学改革反思

第8篇：电源技术范文

关键词：交流抗干扰电路；PFC电路；高压整流滤波；PWM

1 引 言 2 计算机电源发展历程

在计算机各部件中最令人注意的就是CPU的频率、内存的大小、硬盘容量，显卡的性能等等。而对于电脑中的一个重要部件电源．却往往总会受到忽略。而事实上，电脑的许多奇怪症状都是由电源引起的。假如我们把计算机比作一个人的话，CPU作为计算机的核心部件起着运算和控制的作用，它相当于我们人类的大脑；而电源作为计算机的动力提供者，完全等价于我们人类的心脏，其重要之处由此可见。所以有必要了解电源内部结构，熟悉电源的工作原理，才能更好地维护好计算机电源，才能从根本上保障公司各部门计算机设备长时间稳定工作。

2 计算机电源发展历程

PC／XT_ IBM最先推出个人PC／XT机时制定的标准；AT_ 也是由IBM早期推出PC／AT机时所提出的标准，当时能够提供192W 的电力供应；ATX—Intel公司于1995年提出的工业标准。与AT比较主要变化为：

1、取消了AT电源上必备的电源开关而交由主板进行电源开关的控制，增加了一个待机电路为电源主电路和主板提供电压来实现电源唤醒等功能：

2、ATX电源首次引进了+3．3V的电压输出端，与主板的连接接口上也有了明显的改进：ATX12V—— 支持P4的ATX标准，是目前的主流标准：ATX12V一1．1：在ATX的基础之上增加了4pin的+12V辅助供电线(PIO)为P4处理器供电，改变了各路输出功率分配方式， 增强+12V 负载能力；ATX12V一1.3：提高了电源效率，增加了对SATA的支持。去掉了一5V输出，增加了+12V的输出能力；ATX12V一2.0：尚未有产品实施的最新规范；电源连接器由20针改为24针，以支持75W 的PCI Express总线．同时取消辅助电源接口；提供另一路+12V输出，直接为4Pin接口供电；WTX—ATX 电源的加强版本：尺寸上比ATX电源大。供电能力也比比ATX电源强，常用于服务器和大型电脑；BTX一现有架构的终结者，电源输出要求、接口等支持ATX12V。

3 计算机开关电源的工作原理

电源是一种能量转换的设备，它能将220V的交流电转变为计算机需要的低电压强电流的直流电。首先将高电压交流电(220V)通过全桥二极管整流以后成为高电压的脉冲直流电，再经过电容滤波以后成为高压直流电。此时，控制电路控制大功率开关三极管将高压直流电按照一定的高频频率分批送到高频变压器的初级。接着，把从次级线圈输出的降压后的高频低压交流电通过整流滤波转换为能使电脑工作的低电压强电流的直流电。其中，控制电路也是必不可少的部分。它能有效的监控输出端的电压值，并向控制功率开关三极管发出信号控制电压上下调整的幅度。目前的常见产品主要采用脉冲变压器耦合型开关稳压电源，它分为交流抗干扰电路、功率因数校正电路、高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路5个主要部分。

4 交流抗干扰电路

为避免电网中的各种干扰信号影响高频率、高精度的计算机系统．防止电源开关电路形成高频扰窜，影响电网中的其他电器等；各种电磁、安规认证都要求开关电源配有抗干扰电路。主要结构为兀型共模、差模滤波电路．由差模扼流电感、差模滤波电容、共模扼流电感、共模滤波电容组成：

5 功率因数校正电路

开关电源传统的桥式整流、电容滤波电路令整体负载表现为容性，且使交流输入电流产生严重的波形畸变，向电网注人大量的高次谐波，功率因数仅有0．6左右，对电网和其他电气设备造成严重的谐波污染与干扰。因此，我国在2003年开始实施的CCC中明确要求计算机电源产品带有功率因数校正器(Power Factor Corrector，即PFC)，功率因数达到0．7以上。PFC电路分为主动式(有源)与被动式(无源)两种：主动式PFC本身就相当于一个开关电源．通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行”调制”，令其与电压尽量同步，功率因数接近于1；同时．主动式PFC控制芯片还能够提供辅助供电，驱动电源内部其他芯片以及负担+5VSB输出。主动式PFC功率因数高、+5VSB输出纹波频率高、幅度小，但结构复杂，成本高，仅在一些高端电源中使用。目前采用主动式PFC的计算机电源一般采用升压转换器式设计，电路原理图如下：被动式PFC结构简单，只是针对电源的整体负载特性表现，在交流输人端．抗干扰电路之后串接了一个大电感，强制平衡电源的整体负载特性。被动式PFC采用的电感只需适应50～60Hz的市电频率，带有工频变压器常用的硅钢片铁芯，而非高频率开关变压器所采用的铁氧体磁芯，从外观上非常容易分辨。被动式PFC效果较主动式PFC有一定差距，功率因数一般为0．8左右；但成本低廉，且无需对原有产品设计进行大幅度修改就可以符合CCC要求，是目前主流电源通常采取的方式。

6 高压整流滤波电路

目前的各种开关电源高压整流基本都采用全桥式二极管整流，将输人的正弦交流电反向电压翻转，输出连续波峰的“类直流”。再经过电容的滤波，就得到了约300V的“高压直流”。

7 开关电路

开关电源的核心部分．主要由精密电压比较芯片、PWM芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较．PWM芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比，进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量，实现“稳压”输出。PWM(Pules Width Modulation)即脉宽调制电路，其功能是检测输出直流电压，与基准电压比较，进行放大，控制振荡器的脉冲宽度，从而控制推挽开关电路以保持输出电压的稳定，主要由1C TL494及周围元件组成。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压(300V)区与低压区(最高12V)，避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害，也令PWM芯片无需接触高压信号，降低了对元件规格的要求。

冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流(高压到低压)转换方式有5种，其中适合作为计算机电源使用的主要为推挽式与半桥式，而推挽式多用于小型机、UPS等，我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。

8 低压整流滤波电路

经过调制的高压直流成为了低压高频交流，需要经过再次整流滤波才能得到希望的稳定低压直流输出。整流手段与高压整流类似，仍是利用二极管的单向导通性质，将反向波形翻转。为了保证滤波后波形的完整性，要求互相配合实现360。的导通，因此一般采用快速恢复二极管(主要用于+12V整流)或肖特基二极管(主要用于+5V、+3．3V整流)。滤波仍是采用典型的扼流电感配合滤波电容，不过此处的电感不仅为了扼制突变电流，更为重要的作用是像高压滤波部分的电容一样作为储能元件，为输出端提供连续的能量供应。实际产品中高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路是一个整体，虽然原理与前述基本相同，但元件个数、分布方式会有很大变化。例如采用半桥式电压变换的电源就有两个高压滤波电容，每一路直流输出对应两个整流管，各负责半个周期的输出；而采用单端正激式电压变换的电源则只有一个高压滤波电容，每一路直流输出对应两个整流管，工作时间按照开关管占空比分配。其他较为重要的部分还有辅助供电电路与保护电路：辅助供电电路一个小功率的开关电源，交流输入接通后即开始工作。300V直流电被辅助供电开关管调制成为脉冲电流，通过辅助供电变压器输出二路交流电压。一路经整流、三端稳压器稳压，输出为+5VSB，供主板待机所用；另一路经整流滤波，输出辅助+12V电源，供给电源内部的PWM等 片工作。主动式PFC具有辅助供电的功能，可以提供+5VSB及电源内部芯片所需电压；故采用主动式PFC的电源可以省略掉辅助供电部分，只使用两个开关变压器。

9 保护电路

电源主要的保护措施有7种：

1、输入端过压保护：通过耐压值为270V的压敏电阻实现：

2、输入端过流保护：通过保险丝：

3、输出端过流保护：通过导线反馈，驱动变压器就会相应动作，关断电源的输出；

4、输出端过压保护：当比较器检测到的输出电压与稳压管两端的基准电压偏差较大时，就会对电压进行调整：

5、输出端过载保护：过载保护的机理与过流保护一样，也是通过控制电路和驱动变压器进行的：

6、输出端短路保护：输出端短路时，比较器会侦测到电流的变化，并通过驱动变压器、关断开关管的输出：

7、温度控制：通过温度探头检测电源内部温度，并智能调扇转速，对电源内部温度进行控制；

10 电源的好坏对其他部件的影响

CPU对电压就非常敏感，电压稍微高一点就可能烧毁CPU，电压过低则无法启动；而硬盘在电压不足时就无法正常工作，在电压波动大时甚至会划伤盘片，造成无法挽救的物理损害；诸如此类，不一而足。在很多情况下，主机内的配件损坏了，用户只是认为是配件本身的质量问题．而很少考虑可能是电源输出的低压直流电电压不稳所造成的。所以，输出电压的波动范围就是考查电源质量的重要指标之一。目前，一般的电源产品在空载和轻载时的表现都较好(假冒伪劣产品除外)，而重载测验才是烈火试真金的真正考验。

参考文献

第9篇：电源技术范文

关键词:低功耗设计;电源关断; 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

随着系统芯片(SoC) 采用更先进的制造工艺并集成更多的功能,它所面临的高性能与低功耗的矛盾越来越突出。对于130nm及以下的工艺,芯片的功耗密度越来越高、漏电功耗所占比例越来越大,在90 nm时,静态功耗在总功耗的比例已经接近1/3,如图1所示,所以在芯片的设计过程中,除了对芯片的动态功耗进行优化外,还要对芯片的静态功耗进行有效的优化。

芯片中某些模块在一段时间内不工作时,通过将其供电电源关断,从而达到降低芯片功耗的目的。电源关断(PSO)技术是最有效的降低静态功耗的技术之一。本文通过采用Cadence公司的CPF格式来定义各个低功耗单元,用实例来介绍实现电源关断的过程,并对结果进行了分析。

2 电源关断技术

及CPF格式定义低功耗单元

2.1 电源关断技术简介

如果某一模块在一段时间内不工作,可以关掉它的供电电源。关掉供电电源可以使用设置在模块顶部或底部的Power Switch开关,通常在使用后端工具进行布局布线时加入。断电后,模块进入睡眠模式,其漏电功率很小。唤醒时,为了使模块尽快恢复工作模式,需要保持关电前的状态,保持寄存器(SRPG)可用于记忆状态。 为了使保持寄存器记忆状态,模块的电源关断时,需要常开电源为保持寄存器供电。为了保证在睡眠模式时,下一级的输入不会悬空,设计中需要插入隔离单元(Isolation Cell),提供一个“1”或“0” 的输出,使下一级的输入为确定的逻辑值。综上所述,电源关断设计需要工艺库中提供的低功耗单元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔离单元(ISO)、常开缓冲器(always on buffer)及电源开关(power switch)等低功耗单元。

2.2 CPF格式定义低功耗单元

面临低功耗设计,EDA工具供应商强调整个流程进行优化来实现低功耗自动管理的概念,同时简化设计的复杂性。由Cadence公司开发、Si2(silicon integration initiative)的低功耗联盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行业开放。Synopsys后来联合Mentor和Magma等公司开发了统一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作为一项Accellera标准出台。 UPF和CPF命令十分类似,只是各自对应于不同的EDA工具。如图2所示CPF设计流程。

CPF文件允许用户在整个RTL-GDSII设计流程中定义功率设计意图和约束条件,使用Tcl脚本文件,用户可以使用其中的命令完成诸如建立和管理电源域、确定隔离和保持、定义与电源相关的规则和约束条件等等。

3基于电源关断技术的设计实现

3.1设计实例介绍

测试芯片采用了电源关断的低功耗设计技术,芯片中划分了5个独立的电源域,其中PD0为常开电源域,PD1-PD4为可关断电源域,电源域中的寄存器在综合阶段全部替换成了保持寄存器,因此可以在电源重新上电后恢复断电前的数据。芯片的逻辑部分供电电压为1.8V,芯片中包含了一块电源可关断的SRAM模块,如图3所示。

物理实现选用的工艺库为130nm低功耗库,库中包含了电源关断设计所需要的低功耗单元。

3.2芯片的物理设计

相对于普通设计,在物理实现过程中,低功耗设计有一些特殊的步骤,需要在设计过程中加以注意,如加入power switch开关、添加连接常开电源的well tap 单元等等。接下来将对设计实现中的特殊步骤加以介绍。完整的低功耗设计实现流程如下:

3.2.1 添加 Power switch 开关

对需要关断的Power Domain,添加power switch开关,在添加开关时要保证power switch属于所添加的电源区域,同时起始点设置为布线间距的整数倍,否则在布线后插入filler会产生空隙。本次设计中power switch插入的起始点为264,此距离为采用的130nm工艺库中布线间距(0.48)的整数倍。插入power switch脚本如下:

#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单元:

对于常开电源区和可关断电源区,需要添加不同类型的well tap,对于常开电源区,加入普通类型的well tap;但对于可关断电源区,由于电源关断后,仍然有保持寄存器中的一部分逻辑电路在工作,即保存关断前的数值,因此,必须对这部分工作的器件进行阱连接。添加特殊类型的well tap。如图4所示,well tap单元上加有窄的stripe,以保证well tap供电,进而使保持寄存器工作部分的逻辑电路的阱连接。

3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell

对于各个电源区域保持寄存器的控制端,由于受到同一个控制信号的驱动,容易产生信号的延时及max fanout不满足问题,通常对这些端口的信号线进行buffer tree synthesis,进而对信号到达不同寄存器的skew进行平衡。

隔离单元与保持寄存器单元类似,也要对控制信号端进行buffer tree synthesis。

相应的脚本如下:

#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

在进行buffer tree synthesis 过程中,一定要设置-fixedBuf fixedNet,否则优化过程中,会使常开的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢复的数值不能正确操作。

3.2.4 Always on pin connected for SRPG

保持寄存器用于受到电源关断的区域,保持寄存器一般包含两级:主级与存储级。主级与本地(可开关)电源轨相连。存储级与常开电源相连,以便用最小的漏电电流保持正常状态,存储级通常使用高阈值电压晶体管。如图5所示130nm工艺库中保持寄存器版图,其中kapwr为常开电源Pin。

保持寄存器的性能与常规寄存器几乎完全一样,不过需要更大的面积和稍高的动态耗电。在正常运行过程中,这些寄存器具有与其他标准寄存器相同的功能,一旦发出保持启动信号,寄存器就进入保持模式,意味着可以关闭电源,处于保持模式时,时钟和重置信号不起作用。

在时钟树综合之前,需要对保持寄存器的常开电源Pin进行连接。布线器会把选中的器件、选中的pin连接到指定的电源stripe上去,脚本如下:

#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

以上几个步骤为电源关断设计中相对普通设计需要特别注意的地方,布局布线完成后,需要进行详细的DRC/LVS检查。

4芯片的测试结果分析

芯片从Foundry返回后,测试结果表明,芯片可以实现电源关断的操作,重新上电后,可以实现数据的恢复,如图6所示。

对于单个可关断的电源域,动态功耗为:3.04-3.25mA,供电电源关断后,静态功耗为: 189-200nA,从上述结果可以看出,芯片采用电源关断技术,可以有效的降低芯片的静态功耗。对于手持式设备,芯片的静态功耗或待机功耗要求苛刻,对一些认证IP,认证结束后,芯片正常工作状态下,不需要其继续工作,可以考虑采用电源关断技术,关断其供电电源;对于某些特殊的IP或Memory等,也可以同样采用此技术。

5结束语

电源关断技术要求从系统级处了解在哪里增加电源门,怎样及何时去控制这些电源门。同时切断设计的电源必须能节省功耗,因为在断电和加电转换期间的功率纯粹是浪费的。断电和加电要求一定的转换周期,也需要通过仿真来对比电源关断时节省的功率以及加电时耗费的切换功率,同时,也必须权衡考虑为实现此省电技术而需要的芯片面积和关断该设计所导致的任何性能降低。

采用电源关断技术实现芯片设计,要从综合阶段开始,综合过程中插入隔离单元并把普通寄存器替换为保持寄存器。接着,物理实现阶段必须了解顶部/底部(header/footer)开关的特殊电源连接需求,正确的将开关插入各自的电源域中,同时要添加特殊类型的well tap,以保证保持寄存器常开部分逻辑电路的阱连接,在时钟树综合之前,需要对保持寄存器的常开电源Pin进行连接等等。

为确保流片成功,芯片设计要求通过时序和信号完整性分析,来解决开关中额外的IR-drop压降、通过隔离单元的时延和控制信号对噪声的灵敏度问题。等效性检查应包括电源域识别、隔离/电源开关使能的验证以及状态保持的睡眠/唤醒序列检查等等。

基于以上论述,是否采用电源关断设计要经过仔细的分析,准确的评估芯片设计中采用电源关断技术后可以优化静态功耗的比例。同时,物理设计实现过程中,需要特别注意与其他普通设计的区别。

参考文献

[1] 陈春章 艾霞 王国维编著 数字集成电路物理设计 北京: 科学出版社 2008

[2] 虞希清 专用集成电路设计实用教程 杭州:浙江大学出版社 2007

[3] Himanshu Bhatnagar 著 张文俊 译 高级ASIC芯片综合 北京:清华大学出版社 2007

[4] 李强 超高频射频电子标签芯片中低功耗电路研究(博士论文)上海:复旦大学2005

[5]Michael Keating David Flynn Low Power Metho- dology Manual For System-on-Chip DesignUSA: Springer publishing company 2006

[6] 张培勇 32位嵌入式CPU的超深亚微米物理实现与验证 杭州:浙江大学,2004.6

[7] 韦健 低功耗逻辑电路设计及在RISC设计中的研究(博士学位论文) 杭州:浙江大学,2001

[8] 杨波 低功耗微处理器体系结构的研究与设计(博士学位论文) 西安:西北工业大学,2001

[9] Samir Palnitkar Verilog HDL A Guide to Digital Design and Synthesis 北京:电子工业出版社 2006

作者简介

王殿超,北京中电华大电子设计有限责任公司芯片工程部 物理设计工程师;