中心議題：

• 工業應用場合的特殊性使得工業電源需要滿足更苛刻要求
• 如何綜合考慮多方麵因素，更好地把握工業電源的設計
• 超級電容在工業電源方麵的妙用
• 工業電源的可靠性設計

工業應用場合中使用的電源係統有明顯的特點：在這些係統中，為了滿足空間的需求，常常需要使用功率密度較高的電源
；有些工業應用場合例如采礦業常常麵臨惡劣的操作環境
，一旦出現電源故障
，維護起來就十分艱難，這對電源係統的安全性、可靠性和耐用性提出了更高的要求；在用電設備眾多的工業環境中
，為了克服設備間的幹擾，電源還必須有很強的抗幹擾和電磁兼容能力……

zongzhi，zaigongyechanghe
，dianyuanxitongzaigefangmiandouyougenggaodexuqiu，erzheyangdexuqiuzhengzaitongguobuduanjinbudejishuhewanshandedianyuanmokuaishejiyuelaiyuehaodibeimanzu。liru，yuelaiyueduodegongyemokuaidianyuanzhengxiangqijianfazhan。suizhemokuaigongyedianyuanjichenghuaheyizhixingshejidetuijin

，mokuaideyingyongyeriqubiaozhunhua
，yingyongdianluyuelaiyuejiandan，xuanxingyebiandexiangduirongyi。gemokuaigongyedianyuanchangshangyijingkaishijinxingqijianhedianludezhenghelaijinliangjiangdichengben
，tigaojingzhengli。

本期專題
，我們就將焦點對準工業電源的應用設計和趨勢，看看應該如何綜合考慮多方麵因素
，更好地把握工業電源的設計。

超級電容正在越來越多地用於工業電源係統

超級電容在工業電源係統中的使用越來越多。它的功率密度表現非常突出
，還具有循環壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好

、容量配置靈活、環境友好免維護等優點。但目前單體電容器電壓偏低
，僅為1～3V，故必須采用多個電容器串並聯，構成超級電容器儲能組以滿足電壓能量的等級要求。

超chao級ji電dian容rong儲chu能neng係xi統tong原yuan理li圖tu如ru下xia。當dang向xiang電dian極ji充chong電dian時shi，處chu於yu理li想xiang極ji化hua電dian極ji狀zhuang態tai的de電dian極ji表biao麵mian電dian荷he將jiang吸xi引yin周zhou圍wei電dian解jie質zhi溶rong液ye中zhong的de異yi性xing離li子zi
，使shi這zhe些xie離li子zi附fu於yu電dian極ji表biao麵mian上shang形xing成cheng雙shuang電dian荷he層ceng
，構gou成cheng雙shuang電dian層ceng電dian容rong。由you於yu兩liang電dian荷he層ceng的de距ju離li非fei常chang小xiao（一般 0.5mm 以下）
，再加之采用特殊電極結構，使電極表麵積成萬倍的增加

，從而產生極大的電容量。  
超級電容在工業方麵的兩個典型應用包括：

1）可再生能源發電係統/分布式電力係統
zaikezaishengnengyuanfadianhuofenbushidianlixitongzhong，fadianshebeideshuchugonglvjuyoubuwendingxinghebukeyucexingdetedian。caiyongchaojidianrongqichuneng，keyichongfenfahuiqigonglvmiduda、循環壽命長、儲能密度高、無需維護等優點，既可以單獨儲能，也可以與其他儲能裝置混合儲能。超級電容器與太陽能電池相結合
，可以應用於路燈、交通警示牌
、交通標誌燈等。超級電容器還應用於風力發電、ranliaodianchidengfenbushifadianxitong，keyiduixitongqidaoshunjiangonglvbuchangdezuoyong
，bingkeyizaifadianzhongduanshizuoweibeiyongdianyuan
，yitigaogongdiandewendingxinghekekaoxing。

2）變頻驅動係統的能量緩衝器
超chao級ji電dian容rong器qi與yu功gong率lv變bian換huan器qi構gou成cheng能neng量liang的de緩huan衝chong器qi
，可ke以yi用yong於yu電dian梯ti等deng變bian頻pin驅qu動dong係xi統tong。當dang電dian梯ti上shang升sheng時shi，能neng量liang緩huan衝chong器qi向xiang驅qu動dong係xi統tong中zhong的de直zhi流liu母mu線xian供gong電dian，提ti供gong電dian機ji所suo需xu的de峰feng值zhi功gong率lv；在電梯減速下降過程中，吸收電機通過變頻器向直流母線回饋能量。

在太陽能LED路燈係統中

，超級電容就充當了重要的一部分。由光伏電池陣列、光伏控製器
、超級電容、充電控製器、蓄電池、電流變換器、LED負fu載zai組zu成cheng，連lian接jie結jie構gou如ru下xia圖tu所suo示shi。超chao級ji電dian容rong跨kua接jie在zai直zhi流liu母mu線xian和he地di線xian之zhi間jian

，用yong於yu保bao持chi直zhi流liu母mu線xian的de電dian壓ya
，並bing緩huan衝chong光guang伏fu電dian池chi提ti供gong的de過guo大da能neng量liang，在zai適shi當dang的de時shi候hou放fang電dian以yi滿man足zu蓄xu電dian池chi的de充chong電dian需xu要yao和he負fu載zai的de供gong電dian需xu要yao。

另一個應用實例就是智能水表。傳統的智能水表在控製水閥開啟和關斷時，普遍采用的方法是內裝鋰電池。鋰電池的優點在於重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由於智能水表都沒有設計再充電電路,鋰電池使用到一定時間後,將無法為控製電路提供能量,不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表,這zhe對dui於yu水shui表biao生sheng產chan廠chang家jia和he自zi來lai水shui公gong司si來lai說shuo都dou是shi一yi件jian繁fan瑣suo的de事shi。更geng危wei險xian的de是shi，電dian池chi電dian量liang不bu足zu的de情qing況kuang出chu現xian是shi隨sui機ji的de，如ru果guo不bu精jing確que和he及ji時shi的de監jian測ce電dian池chi電dian量liang,將無法可靠的關斷水閥,造成無法計費、逃水現象等情況出現。為了解決這一製約智能水表發展的瓶頸問題，已有不少廠家嚐試一種全新的方案,那就是用超級電容代替鋰電池應用於智能水表。超級電容是近幾年才批量生產的一種無源器件
，介於電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時也有電池的儲能特性，並且重複使用壽命長，放電時利用移動導體間的電子(而不依靠化學反應)釋放電流從而為設備提供電源。

延伸閱讀：

超級電容在太陽能路燈設計中的應用：http://0-fzl.cn/art/artinfo/id/80011588
超級電容在智能水表中的應用方案：http://0-fzl.cn/art/artinfo/id/80014256
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工業電源的可靠性設計

元器件直接決定了電源的可靠性
，為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數不合格、密封性能不合格

、外觀不合格、穩定性差、早期失效等
，應進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。通過篩選可使元器件失效率降低1~2個數量級，當然篩選試驗代價(時間與費用)很大，但綜合維修
、後勤保障、整架聯試等還是合算的，研製周期也不會延長。電源設備主要元器件的篩選試驗一般要求包括：電阻在室溫下按技術條件進行100%測試,剔除不合格品；普通電容器在室溫下按技術條件進行100%測試,剔除不合格品
；接插件按技術條件抽樣檢測各種參數。

在設計方麵也要注意
，開關管選用MOSFET能簡化驅動電路,減少損耗
；輸出整流管盡量采用具有軟恢複特性的二極管；應選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件.禁止選用塑料封裝的器件；設計時盡量少用繼電器,確有必要時應選用接觸良好的密封繼電器；吸xi收shou電dian容rong器qi與yu開kai關guan管guan和he輸shu出chu整zheng流liu管guan的de距ju離li應ying當dang很hen近jin，因yin流liu過guo高gao頻pin電dian流liu，故gu易yi升sheng溫wen

，所suo以yi要yao求qiu這zhe些xie電dian容rong器qi具ju有you高gao頻pin低di損sun耗hao和he耐nai高gao溫wen的de特te性xing。

經jing常chang被bei人ren忽hu略lve的de還hai有you是shi印yin刷shua電dian路lu板ban的de可ke靠kao性xing問wen題ti。照zhao目mu前qian的de趨qu勢shi看kan，印yin刷shua電dian路lu板ban的de麵mian積ji越yue縮suo越yue小xiao，但dan需xu要yao處chu理li的de電dian流liu量liang則ze越yue來lai越yue大da
，因yin此ci電dian流liu密mi度du的de增zeng加jia可ke能neng會hui引yin致zhi隱yin蔽bi式shi或huo其qi他ta通tong孔kong無wu法fa執zhi行xing正zheng常chang功gong能neng。

當然為了保證可靠性，必須要考慮到保護電路。下麵是一種較為完善的保護電路。借助它我們可以很容易地構成輸入過/欠壓保護，輸出過/欠壓保護，以及過熱保護。

T1為鑒流線圈，初級線圈以半匝串接入主振蕩管的D極（場效應管）或C極（晶體三極管）。這樣接的最大好處在於，首先鑒流線圈能最大程度地感應到主振蕩管電流的變化情況，其次，鑒流線圈後級接法基本上是通用型PWM整流


、濾波線路。和一般鑒別電源總電流的方法相比，鑒流輸出功率大，易於後級的再處理；鑒流輸出的電壓VOP1suidianyuanshurudianyabianhuajiaoxiao
，qizhizhuyaoqujueyuzhendangguanshangdedianliumaidongboxingdejifen。zheyangjiuduishurudianyadediduanyugaoduannengdedaojibenxiangtongdeguoliubaohutexing。

延伸閱讀：

生產環境對電源模塊可靠性的影響：http://0-fzl.cn/art/artinfo/id/80001400
高性能電源保護電路：http://0-fzl.cn/art/artinfo/id/80014366
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邁向綠色的工業電源

節能型電源是大勢所趨
，而近幾年來
，“能源之星”的實施對設計和製造高性能的節能型電源起到了推波助瀾的作用；國際能源署(IEA)倡導的“1瓦計劃”提出在2010前，要將所有電器的待機能耗降至1瓦以下

；80 PLUS標準要求台式PC機的效率在不同負載條件下都要高於80%；歐洲IEC555管理條例規定
，功率超過75W的產品就需要增加PFC；美國加州能源委員會(CEC)則出台了針對外部電源的強製性能效標準。工業電源中使用的各種產品如IGBT模塊、電容、電阻等元器件當然也正順勢而動
，朝著綠色的方向邁進。

在AC/DCzhuanhuandeqifangmian，xiaolvjiyuyuancailiaobenshenxiangguan，yeshejishejifuzachengduheshejijiqiaodewenti。zhenduijutigonglvyingyongxuqiuxuanzeheshidegongzuomoshi，youhuacailiaodexuanyongbingcaiyongheshideshejijiqiao，nenggouyouxiaoditishengzhuanhuanxiaolv。chulecaiyongsunhaojiaodideqijian
，gaishanAC/DC電源性能主要可利用諧振轉換、同步整流等技術來實現。也可以通過新型的PFC結構提高效率，如無橋PFC和交錯式PFC等。交錯式PFC控製器可幫助設計人員簡化電源設計，提高係統可靠性
，實現更高的功率因數與額定效率。

對於DC/DC轉換器而言
，開關損耗是決定其能效的關鍵因素之一。軟開關技術或者低柵電荷FET開關等都是降低開關損耗的有效手段。此外
，當負載很小或處於空載待機狀態時，可利用新型的工藝和控製方法(如SMARTMOS矽片工藝、脈衝跳頻技術、突發模式等)實現待機電流的最小化，從而使DC/DC轉換器在整個負載範圍內保持高效率。

從電源架構入手是改善能效的另一種途徑。電源架構的功效取決於係統級需求、采(cai)用(yong)的(de)元(yuan)件(jian)和(he)設(she)計(ji)拓(tuo)撲(pu)。目(mu)前(qian)分(fen)布(bu)式(shi)架(jia)構(gou)應(ying)用(yong)得(de)十(shi)分(fen)廣(guang)泛(fan)，這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)具(ju)有(you)最(zui)優(you)的(de)調(tiao)整(zheng)精(jing)度(du)和(he)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)，可(ke)以(yi)向(xiang)負(fu)載(zai)提(ti)供(gong)更(geng)好(hao)的(de)加(jia)載(zai)和(he)線(xian)性(xing)調(tiao)整(zheng)率(lv)以(yi)及(ji)良(liang)好(hao)的(de)EMI性能。另一方麵，根據係統的大小，規劃混合型的總線結構也能降低係統風險和成本。

延伸閱讀：
綠色開關電源設計需注意的要點：http://0-fzl.cn/art/artinfo/id/80009766
中小功率綠色開關電源設計與研究：http://0-fzl.cn/art/artinfo/id/80012144