- 工业应用场合的特殊性使得工业电源需要满足更苛刻要求
- 如何综合考虑多方面因素，更好地把握工业电源的设计
- 超级电容在工业电源方面的妙用
- 工业电源的可靠性设计
总之，在工业场合，电源系统在各方面都有更高的需求，而这样的需求正在通过不断进步的技术和完善的电源模块设计越来越好地被满足。例如，越来越多的工业模块电源正向器件发展。随着模块工业电源集成化和一致性设计的推进，模块的应用也日趋标准化，应用电路越来越简单，选型也变得相对容易。各模块工业电源厂商已经开始进行器件和电路的整合来尽量降低成本，提高竞争力。
本期专题，我们就将焦点对准工业电源的应用设计和趋势，看看应该如何综合考虑多方面因素，更好地把握工业电源的设计。
超级电容正在越来越多地用于工业电源系统
超级电容在工业电源系统中的使用越来越多。它的功率密度表现非常突出，还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。但目前单体电容器电压偏低，仅为1～3V，故必须采用多个电容器串并联，构成超级电容器储能组以满足电压能量的等级要求。
超级电容储能系统原理图如下。当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小（一般 0.5mm 以下），再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。
图1：超级电容储能原理图
超级电容在工业方面的两个典型应用包括：
1）可再生能源发电系统/分布式电力系统
在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定性和不可预测性的特点。采用超级电容器储能，可以充分发挥其功率密度大、循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点，既可以单独储能，也可以与其他储能装置混合储能。超级电容器与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯等。超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发电系统，可以对系统起到瞬间功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性。
2）变频驱动系统的能量缓冲器
超级电容器与功率变换器构成能量的缓冲器，可以用于电梯等变频驱动系统。当电梯上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需的峰值功率；在电梯减速下降过程中，吸收电机通过变频器向直流母线回馈能量。
在太阳能LED路灯系统中，超级电容就充当了重要的一部分。由光伏电池阵列、光伏控制器、超级电容、充电控制器、蓄电池、电流变换器、LED负载组成，连接结构如下图所示。超级电容跨接在直流母线和地线之间，用于保持直流母线的电压，并缓冲光伏电池提供的过大能量，在适当的时候放电以满足蓄电池的充电需要和负载的供电需要。
图2：应用了超级电容的太阳能LED路灯系统
另一个应用实例就是智能水表。传统的智能水表在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此，由于智能水表都没有设计再充电电路,锂电池使用到一定时间后,将无法为控制电路提供能量,不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表,这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。更危险的是，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量,将无法可靠的关断水阀,造成无法计费、逃水现象等情况出现。为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，已有不少厂家尝试一种全新的方案,那就是用超级电容代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流从而为设备提供电源。
延伸阅读：
超级电容在太阳能路灯设计中的应用：http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80011588
超级电容在智能水表中的应用方案：http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80014256
[page]
工业电源的可靠性设计
元器件直接决定了电源的可靠性，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包括：电阻在室温下按技术条件进行100%测试,剔除不合格品；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；接插件按技术条件抽样检测各种参数。
在设计方面也要注意，开关管选用MOSFET能简化驱动电路,减少损耗；输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管；应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件.禁止选用塑料封装的器件；设计时尽量少用继电器,确有必要时应选用接触良好的密封继电器；吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。
经常被人忽略的还有是印刷电路板的可靠性问题。照目前的趋势看，印刷电路板的面积越缩越小，但需要处理的电流量则越来越大，因此电流密度的增加可能会引致隐蔽式或其他通孔无法执行正常功能。
当然为了保证可靠性，必须要考虑到保护电路。下面是一种较为完善的保护电路。借助它我们可以很容易地构成输入过/欠压保护，输出过/欠压保护，以及过热保护。
图3：电源保护电路图
T1为鉴流线圈，初级线圈以半匝串接入主振荡管的D极（场效应管）或C极（晶体三极管）。这样接的最大好处在于，首先鉴流线圈能最大程度地感应到主振荡管电流的变化情况，其次，鉴流线圈后级接法基本上是通用型PWM整流、滤波线路。和一般鉴别电源总电流的方法相比，鉴流输出功率大，易于后级的再处理；鉴流输出的电压VOP1随电源输入电压变化较小，其值主要取决于振荡管上的电流脉动波形的积分。这样就对输入电压的低端与高端能得到基本相同的过流保护特性。
延伸阅读：
生产环境对电源模块可靠性的影响：http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80001400
高性能电源保护电路：http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80014366
[page]
迈向绿色的工业电源
节能型电源是大势所趋，而近几年来，“能源之星”的实施对设计和制造高性能的节能型电源起到了推波助澜的作用；国际能源署(IEA)倡导的“1瓦计划”提出在2010前，要将所有电器的待机能耗降至1瓦以下；80 PLUS标准要求台式PC机的效率在不同负载条件下都要高于80%；欧洲IEC555管理条例规定，功率超过75W的产品就需要增加PFC；美国加州能源委员会(CEC)则出台了针对外部电源的强制性能效标准。工业电源中使用的各种产品如IGBT模块、电容、电阻等元器件当然也正顺势而动，朝着绿色的方向迈进。
在AC/DC转换的其方面，效率既与原材料本身相关，也涉及设计复杂程度和设计技巧的问题。针对具体功率应用需求选择合适的工作模式，优化材料的选用并采用合适的设计技巧，能够有效地提升转换效率。除了采用损耗较低的器件，改善AC/DC电源性能主要可利用谐振转换、同步整流等技术来实现。也可以通过新型的PFC结构提高效率，如无桥PFC和交错式PFC等。交错式PFC控制器可帮助设计人员简化电源设计，提高系统可靠性，实现更高的功率因数与额定效率。
对于DC/DC转换器而言，开关损耗是决定其能效的关键因素之一。软开关技术或者低栅电荷FET开关等都是降低开关损耗的有效手段。此外，当负载很小或处于空载待机状态时，可利用新型的工艺和控制方法(如SMARTMOS硅片工艺、脉冲跳频技术、突发模式等)实现待机电流的最小化，从而使DC/DC转换器在整个负载范围内保持高效率。
从电源架构入手是改善能效的另一种途径。电源架构的功效取决于系统级需求、采用的元件和设计拓扑。目前分布式架构应用得十分广泛，这种架构具有最优的调整精度和瞬态响应，可以向负载提供更好的加载和线性调整率以及良好的EMI性能。另一方面，根据系统的大小，规划混合型的总线结构也能降低系统风险和成本。
延伸阅读：
绿色开关电源设计需注意的要点：http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80009766
中小功率绿色开关电源设计与研究：http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80012144
