電源電路,電源電路原理和作用是什么?

DC/AC逆變器

背景知識：

DC/AC逆變技術能夠實現直流電能到交流電能的轉換，可以從蓄電池、太陽能電池等直流電能變換得到質量較高的、能滿足負載對電壓和頻率要求的交流電能。DC/AC逆變技術在交流電機的傳動、不間斷電源(UPS)、變頻電源、有源濾波器、電網無功補償器等許多場合得到了廣泛的應用。

DC/AC逆變技術的基本原理是通過半導體功率開關器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由子是通過半導體功率開關器件的開通和關斷來實現電能轉換的，因此轉換效率比較高。但轉換輸出的波形卻很差，是含有相當多諧波成分的方波。而多數應用場合要求逆變器輸出的是理想的正弦波，因此如何利用半導體功率開關器件的開通和關斷的轉換，使逆變器輸出正弦波和準正弦波就成了DC/AC逆變器技術發展中的一個主要問題。

基本原理：

常用逆變器主電路的基本形式有兩種分類方法：按照相數分類，可以分為單相和三相；按照直流側波形和交流側波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。具體如下：

DC/AC逆變器按拓撲結構劃分，分為Buck型DC/AC逆變器，Boost型DC/AC逆變器，Buck-Boost型DC/AC逆變器。

1，Buck型DC/AC逆變器

Buck型DC/AC逆變器電路基本拓撲如圖所示。

采用了兩組對稱的Buck電路，負載跨接在兩個Buck變換器的輸出端，并以正弦的方式調節Buck變換器的輸出電壓，進行DC/AC的變換。它包括直流供電電源Vm，輸出濾波電感L1和L2，功率開關管S1-S4 。濾波電容C1和C2，續流二極管D1-D4，以及負載電阻R。通過滑模控制，使輸出電容電壓V1和V2隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個Buck變換器各產生一個有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并且V1和V2在相位上互差180度。由于負載跨接在K和代的兩端，則DC/AC變換器的輸出電壓玲為如下式所示的正弦波，圖2所示即為逆變器的基本工作原理。

雖然有一個直流偏置電壓出現在負載的任一端，但負載兩端電壓為正負交變的正弦波電壓，并且其直流電壓為零。由于DC/AC變換器的輸出電流是正負交變的，因此要求電路中的Buck變換器的電流能雙向流通，如圖1所示電路由兩組雙向Buck變換器組成。一組電流雙向流通的Buck變換器可見圖3所示。凡與又是一對互補控制的開關管，D1和D2為反并止極管。當開關S1閉合、S2打開時，若電感電流方向為正，則電流流經S1，若為負則電感電流經D1續流。當S1打開、S2閉合時，若電感電流方向為正，則電流經D2續流，若為負則電感電流流經S2。

2，Boost型AC/AC逆變器

Boost型DC/AC逆變器電路基本拓撲如圖所示。采用了兩組對稱的Boost電路，負載跨接在兩個Boost變換器的輸出端，并以正弦的方式調節Boost變換器的輸出電壓，進行D/AC的變換。它包括直流供電電Vm，輸出濾波電感L1和L2，功率開關管S1-S4，濾波電容C1和C2，續流二極管D1-D4，以及負載電阻R。通過滑模控制，使輸出電容電壓K和K隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個Boost變換器各產生一個有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并且V1和V2在相位上互差180度。獲得的輸出電壓為V0 = V1-V2，是一個正弦電壓。

3，Buck-Boost型DC/AC逆變器。基本原理為上述兩種結構的中和，這里就不做太多解釋了。現狀和發展：

一般認為，DC-AC逆變器的發展可以分為如下兩個階段。

1，1956-1980年為傳統發展階段。這個階段的特點是：開關器件以低速器件為主，逆變器的開關頻率較低，波形改善以多重疊加為主，體積重量較大，逆變效率低。正弦波逆變器開始出現。1960年以后，人們注意到改善逆變器波形的重要性，并開始進行研究。

1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定諧波法”，為后來的優化PWM法奠定了基礎，以實現特定的優化目標，如諧波最小、效率最優、轉矩脈動最小等。

1980年到現在為高頻化新技術階段。這個階段的特點是：開關器件以高速器件為主，逆變器的開關頻率較高，波形改善以PWM法為主，體積重量較小，逆變效率高。正弦波逆變器技術發展日趨完善。

20世紀70年代后期，可關斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR及其模塊相繼實用化。80年代以來，電力電子技術與微電子技術相結合，產生了多種高頻化的全控器件，并得到了迅速發展，如功率場效應晶體管Power MOSFET，絕緣門極晶體管IGT或IGST,靜電感應晶體管SIT,靜電感應晶閘管SITH、場控晶閘管MCT, MOS晶體管MGT、IEGT以及IGCT等。這就使電力電子技術由傳統發展時代進入到高頻化時代。在這個時代，具有小型化和高性能特點的新逆變技術層出不窮，特別是脈寬調制波形改善技術得到了飛速的發展。

今后，隨著工業和科學技術的發展，對電能質量的要求將越來越高，包括市電電網在內的原始電能的質量可能滿足不了設備的要求，必須經過電力電子裝置變換后才能使用，而DC/AC逆變技術在這種變換中將起到重要的作用。

降壓穩壓器

背景知識：

電力系統傳輸電能的升壓變壓器/降壓變壓器/配電變壓器等。

降壓變壓器,用來把10萬V以上便于輸送中的損耗降到用電戶。降為380V的三相四線制,才能安全使用. 從交流發電機發的電先經升壓變壓器升成10kv及以上的高壓（如35kv，110kv，220kv，500kv；距離越遠需要的電壓越高），有時候需經幾級的變壓器升壓，然后經過輸電線路送至目的地后再經降壓變壓器降至需要的電壓，傳輸到家庭的為380/220v。

基本原理：

在這里我們引用一個降壓變壓器的實例來其進行介紹：

BGD/BGS降壓變壓器：

鐵芯采用進口30ZH120高導磁優質冷軋取向矽鋼片制造，鐵芯為三級全斜接縫，鐵芯柱用拉帶綁扎,表面用有硅涂刷粘結，使鐵芯形成整體。從而有效降低了空載損耗、空載電流。并采取特殊的措施，降低鐵芯噪音。

低壓線圈采用銅箔繞制，箔式繞圈結構，增強了線圈的穩定性，固化后繞組整體機械強度好，大大提高了抗短路能力。

高壓線圈采用了分段層式線圈結構，有效降低了層間電壓，并增強了抗雷電沖擊能力。線圈內外表面均用NOMEX紙封包，通過多次真空壓力浸漆，使線圈形成整體，提高了線圈的機械強度，提高了變壓器防霉菌、防潮性能。

固有的介電強度:

壓實形NOMEX芳香聚酰胺產品的短時間時耐電應力為450至1000伏/密耳（18至40千伏/毫米），視乎產品類型和厚度而定，而且無需用清漆或樹脂作進一步處理。

由于NOMEX紙的介電常數為1.5-2.5，比常用的絕緣材料都低，接近空氣的介電常數，因而使整個絕緣系統和冷卻介質間的電場分布更為均勻，局放量少，且相當穩定。

熱穩定性:

NOMEX產品在溫度高達200℃（390）時，其電性能和機械性能所受的影響極小，甚至全無影響，其有效值可在顯著高溫下保持。

再者，NOMEX產品的性能，如連續露置于220℃（430）下，至少可保持十年。

低溫性能:

由于NOMEX產品的聚合結構獨特，因此被采用于各種不同的低溫應用方面。在氮氣沸點(77)時，NOMEX410型絕緣紙以及993型和994型合成纖維壓板的拉伸強度都高于室溫下的強度值。

無毒、阻燃:

NOMEX產品在人體和動物體內不會產生任何已知的毒性反應，在空氣中也不會熔化或助長燃燒。由于NOMEX紙限氧指數高，能阻燃。

化學相容性:

NOMEX產品基本上不受大部分溶劑的影響，而且特別經得起酸堿的腐蝕。它能與各式各樣的清漆和粘合劑、變壓器流體、潤滑油以及冷凍劑相容。由于NOMEX產品不易消化，因此不會受昆蟲、真菌或霉菌侵襲。

機械韌性:

壓實的NOMEX產品非常堅固、回彈力強，較薄等級的產品則具有撓性，所有產品都耐撕裂及耐磨。

對潮濕不敏感:

NOMEX電絕緣和合成纖維壓板在相對濕度95%下處于平衡狀態時，其在絕干時介電強度可保持百分之九十，同時許多機械性能也實際上有所改善。

耐輻射性:

800兆拉德的電離輻射可引致聚酯層壓板粉碎，但NOMEX產品則基本無影響。經過八次此種劑量的輻射之后仍保持其有效的機械性能和電性能

升壓穩壓器

背景知識：

電力系統傳輸電能的升壓變壓器/降壓變壓器/配電變壓器等。

升壓變壓器,用來升成10萬V以上便于輸送中的損耗,到用電戶在用降壓變壓器降為380V的三相四線制,才能安全使用. 從交流發電機發的電先經升壓變壓器升成10kv及以上的高壓（如35kv，110kv，220kv，500kv；距離越遠需要的電壓越高），有時候需經幾級的變壓器升壓，然后經過輸電線路送至目的地后再經降壓變壓器降至需要的電壓，傳輸到家庭的為380/220v。

基本原理：

變壓器作原理：利用導磁系數高的硅鋼片插成鐵芯組，初級繞組根據初級額定電壓和鐵心的截面積以及次級的輸出電壓計算出每伏匝數和初，次級的電流，就可以計算出繞組的截面積（換算出繞組的直徑）。初級和次級要作好絕緣處理。繞好后要進行通電實驗，合格后在做絕緣浸漆和烘干處理。

變壓器有升壓和降壓兩種，我生活周圍的一般是降壓變壓器（為了得到合適的電壓），發電廠外的是升壓變壓器（提高電壓輸送電能是為了減少電能的損耗）。原理是電磁感應原理

電荷泵

背景知識：

便攜式移動設備大多以電池供電，其負載電路通常是微處理器控制的設備，比如移動電話、掌上電腦等等，此類設備要求供電電源效率高、輸出紋波電壓小。直流變換器就是把未經調整的電源電壓轉化為符合要求的電源。電池的廣泛使用，給這一類電源帶來特殊的要求:高效率、靜態電流小、很小的面積、低重量并且價格便宜。傳統的電源通常使用一個電感實現DC/DC變換，但是電感體積龐大、容易飽和、會產生EMI而且電感價格昂貴。為解決此類問題，現代電源通常采用電荷泵電路。電荷泵采用電容儲存能量，外接組件少，非常適合用于便攜式設備中，并且隨著其電路結構的不斷改進和工藝水平的提高，也可應用在需要較大電流的應用電路中。因此高效率電荷泵DC-DC轉換器因其功耗小、成本低、結構簡單、無需電感、二極管、MOSFET等外圍組件、高EMI抑制等優點，在電源管理電路中己得到廣泛應用。

基本原理：

電荷泵使用電容儲存能量，并且隨著電荷泵電路結構的改進，也可應用在需要大電流的應用電路中。一般電荷泵電路主要有兩種工作模式——“LINEAR” 模式和“SKIP”模式。

當電荷泵工作在“LINEAR”模式下，可以獲得較低的輸出紋波，工作在“SKIP”模式下可以獲得較低的靜態電流。為描述方便，以下分析中的電荷泵四個開關管均用NMOS代替，而并非實際上電荷泵開關中既有PMOS又有NMOS。

無電感 型 電荷泵如圖1所示，包含四個開關(M1-M4)、一個泵電容(flying capacitor) CF、輸出電容(OutputCa pacitor)LOUT。一個簡單的工作過程可分為三個階段:

階段A ( 充電階段，M1和M2導通):泵電容被VIN充電，CF兩端的平均壓差為VIN減去充電電流在M1和M2產生壓降。

階段B （能量傳輸階段，M3和M4導通):泵電容向負載電容放電，其兩極平均電壓為

階段C (等待階段，M1-M4均不導通):沒有能量從VIN傳輸到CF和Cout。VCF =常量。

在等待狀態，CF兩端電壓保持恒定，這意味著:

當用50%占空比的時鐘時，△tA =△tB = △t,，所以CF的平均充電電流就等于其平均放電電流，假設階段A和階段B的時間常數足夠大。

開關 M1 - M4周期性通過階段A,B 和C翻轉，能量就從電池Vin傳輸到負載(Vout)。在單個周期里，只有在階段B才對負載電容Cout充電，在其余階段(階段A和C), Cout向負載放電。在死循環電路系統中，輸出電壓Vout為穩定值，這就要求電荷泵充電能量等于負載消耗的能量。所以，在能量傳輸的階段B,輸出電流IP可以寫成:

即

現狀和發展：

電源是各種用電設備的動力裝置，是電子工業的基礎產品。經濟建設和社會生活各個方面的發展都會促進電源產業的發展。近十年來中國的信息產業以其他行業三倍的速度快速發展，“九五”期間，中國對電子工業的投資比重由過去五年的2.2%提高到5.4%,總投資規模達到4293億元，比過去五年增長近12倍，因此成為電源產業發展的強大推動力。電源最大的應用領域是在通信行業，近十年來我國通信事業快速發展，通信電源也同步增長，1991年國內通信電源投資額為人民幣0.8億元，到2002年全國通信電源市場容量為45億元以上。從1991年到2002年通信電源增長56倍多。

在國際上，日本和美國的電子工業和通信業很發達，因此對電源的需求量非常大。在2000年，由于亞洲通信事業的高速發展，對電源供應和管理電路的需求量在全球市場上的比例升至10%，并且這個比例在今后一段時間還將迅速增長，從而成為世界上最有發展潛力的電源供應市場之一。

電源模塊

背景知識：

電源是一切電子設備的心臟，一切電子設備都離不開電源提供能量。電源它廣泛應用于科學研究、經濟建設、國防設施及日常生活等各個方面，是電子設備和機電設備的基礎，它與國民經濟各個部門緊密相關，在工農業生產中應用廣泛。

基本原理：

按現代電力電子的應用領域，我們把電源劃分如下：

1 計算機高效率綠色電源

高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

2 通信用高頻開關電源

通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

3 直流-直流(DC/DC)變換器

DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源), 同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

4 不間斷電源(UPS)

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

5 變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

6 高頻逆變式整流焊機電源

高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。

逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。

由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。

7 大功率開關型高壓直流電源

大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。

自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。

國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。

8 電力有源濾波器

傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

9 分布式開關電源供電系統

分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。

八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。

分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。

現狀和發展：

現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。

電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。

電源監視

背景知識：

系統能可靠工作通常依賴于供電質量。電源電壓過低會造成失效操作，如會導致微控制器、FPGA或ASIC會發送失效數據到存儲器或外。電壓過高則會造成器件永久損壞。除了在電壓波動時提供保護外，用戶可能還需要識別故障源。

基本原理：

用一個調壓器加一對FET及幾只電阻來實現電源關斷功能。調壓器的雙線接口和故障寄存器應該提供故障監測能力，并且提供一片EPROM(建議地址容量為4KB)用于保存制造信息和維修服務卡等信息。

此調壓器監測三個輸入電壓，電壓閾值分別為4.6、2.9和1.0V。圖中所示的電路給出了這樣一種配置：如果5V的電源電壓過低，或3.3V的電源電壓過低或過高，則關斷3.3V的輸出。

如果5V的電源電壓過低，或3.3V的電源電壓過低或過高，則該過壓/欠壓關斷電路將會關斷3.3V的輸出

設計采用一只金屬氧化物場效應管(MOSFET)Q1作為主要的導通元件或開關。MOSFET是PMOS器件，僅需要2.5V的VGS就可以導通，所以當電源電壓降到2.5V時即可發揮作用，其RDS(導通電阻)也小于0.1歐姆。調壓器通過一顆最大VGS為2.5V的FET(Q3)來控制FET的柵極。在低電壓情況下，MOSFET和FET可以用雙MOSFET來代替，如Siliconix的Si4913，其VGS為1.8V，其1.8V電壓下的RDS(導通電阻)為24毫歐姆。

在這個示例中，調壓器的VCC監測由Intersil的X40435來完成。在VCC高于4.6V的閾值后，X40435即關斷其開路泄流端RESET輸出200毫秒(tPOR)。當3.3V的電源電壓高于2.9V時，X40435的V3MON輸入監測電路即關斷其開路泄流端V3FAIL輸出。當上述兩個條件都滿足時，FET(2N7002)柵極即被拉高而導通，使V2FAIL輸出可以控制MOSFET的柵極(在本例中即是Si3443)。如果不希望5V輸入有tPOR時延，則可以用LOWLINE輸出代替RESET輸出。

X40435的V2MON輸入端對3.3V電源有個分壓。分壓電阻的配置使得當3.3V電源電壓達到3.6V時V2MON電壓為1V。但當3.3V的電源電壓低于3.6V時，V2FAIL變為“LOW”高平，向負載供電的MOSFET即導通。

當3.3V的電源電壓達到3.6V時，V2FAIL輸出置“HIGH”高電平，關斷輸出電源。當3.3V或5V電源電壓低于其相應的閾值時，2N7002器件關斷，Si3443門拉高，再次關斷負載。

X40435有一個雙線接口，可以訪問EPROM和故障檢測寄存器。在X40435加電時，即將所有故障位復位到零。而且，任何故障狀態也會使相應位復位到零，這樣，如果微控制器在寫故障位之前首先檢查故障位，就可以確定引起系統重置復位的原因。例如，如果所有位被置零，則5V電源被關斷。如果LV3F位置零，則3.3V電源關斷。如果LV2F位置零，V2MON電壓超過其閾值后又回落到閾值以下，這表明發生了過壓。另外還有一些位用來指示看門狗超時或系統的手工復位。

在上述電路的一個變種電路中，3.3V電源欠壓狀態僅僅引起系統復位，并不關斷3.3V電源，僅在3.3V輸入超過上限時才關斷到負載的3.3V電源。

基準電壓源

背景知識：

基準電壓源或電壓參考(Voltage Reference)通常是指在電路中用作電壓基準的高穩定度的電壓源。隨著集成電路規模的不斷增大。尤其是系統集成技術(SOC)的發展，它也成為大規模、超大規模集成電路和幾乎所有數字模擬系統中不可缺少的基本電路模塊。

在許多集成電路和電路單元中，如數模轉換器(DAC)、 模數轉換器〔ADC)、線性穩壓器和開關穩壓器，都需要精密而又穩定的電壓墓準。在數模轉換器中，DAC根據呈現在其輸入端上的數字輸入信號，從DC基準電壓中選擇和產生模擬輸出;在模數轉換器中，DC電壓墓準又與模擬輸入信號一起用于產生數字化的輸出信號。

在精密測量儀器儀表和廣泛應用的數字通信系統中都經常把基準電壓源用作系統測量和校準的基準。因此，基準電壓源在模擬集成電路中占有很重要的地位，它直接影響著電子系統的性能和精度。近年來對它的研究也一直很活躍，運用雙極型工藝制成的基準電壓源已能達到相當高的性能和精度。

與之同時，二十世紀七十年代以來，由于對MOS晶體管的基本理論和制造技術的深入研究，加上電路設計和工藝技術的進步，MOS模擬集成電路得到了迅速發展。其中CMOS電路更是憑其工藝簡單、器件面積小、集成度高和功耗低等優點，成為數字集成電路產品的主流。在這一背景下，為了獲得低成本、高性能的模擬集成電路產品，基于標準數字CMOS工藝的各種高精度模擬電路受到了人們的關注，并成為集成電技術中的一個重要研究領域。而各種高精度基準電壓源由于其在數字模擬系統中的廣泛應用，更加具有廣闊的開發與應用前景。

基本原理：

理想的基準電壓源應不受電源和溫度的影響，在電路中能提供穩定的電壓，“基準”這一術語正說明基準電壓源的數值應比一般電源具有更高的精度和穩定性。

一般情況下，可用電阻分壓作為基準電壓，但它只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流。這主要是由于其自身沒有穩壓作用，故輸出電壓的穩定性完全依賴于電源電壓的穩定性。另外，也可用二極管的正向壓降作為基準電壓，它可克服上述電路的缺點，得到不依賴于電源電壓的恒定基準電壓，但其電壓的穩定性并不高，且溫度系數是負的，約為-2mV/℃。還可用硅穩壓二極管(簡稱穩壓管或齊納管)的擊穿電壓作為基準電壓，它可克服正向二極管作為基準電壓的一些缺點，但其溫度系數是正的，約為+2mV/℃ 。因此，以上幾種均不適用于對基準電壓要求高的場合。于是，在這種迫切的市場需求和設計者的不斷努力下，高精度的基準電壓源應運而生，并且種類繁多。

從工作原理的角度來看，主要分為三類:標準電池、溫度補償基準穩壓管和集成電路固體基準電壓源(簡稱集成基準電壓源)。

一，標準電池

標準電池可分為飽和型和非飽和型兩種。

飽和型標準電池輸出電壓為1.018V，長期穩定性能達到1μV/年(即1ppm/年);但溫度系數較大，在接近200℃時，總溫度系數約-40μV/℃ 。由于飽和型標準電池正負級的溫度系數不同，在電極間溫差僅0.0010℃時，就能引起0.3pV左右的電動勢變化，因此要求使用中保持正負級的溫度均衡。

非飽和型標準電池的溫度系數較小，在接近20'C時約為-5μV/℃左右;但長期穩定性較差，年變化大于20-40μV/年。

以上兩種電池都有溫度特性的滯后效應，且不能滿載使用，但因其噪聲低、電動勢穩定、制造方便、造價便宜，因此在大多數只要求短期穩定性的精密電源中有廣泛的應用。

二，溫度補償基準穩壓管

溫度補償基準穩壓管的溫度系數可低達5μV/℃，且體積小、重量輕、結構簡單便于集成;但存在噪聲大、負荷能力弱、穩定性差以及基準電壓較高、可調性較差等缺點。這種基準電壓源不適用于便攜式和電池供電的場合。

三.集成基準電壓源

運用半導體集成電路技術制成的基準電壓源種類較多，如深埋層穩壓管集成基準源、雙極型晶體管集成帶隙基準源、CMOS集成帶隙基準源等。“帶隙基準源”是七十年代初出現的一種新型器件，它的問世使基準器件的指標得到了新的飛躍。從這些基準源中可獲得1.22V至l0V中的各檔基準電壓。由于建立在非表面的帶隙機理上，因此比基于表面擊穿的穩壓管器件更加穩定，選就能實現優于溫度系數可達μV/℃(即2ppm/℃) ，輸出電阻極低，更重要的是它無需挑60ppm的長期穩定性。由于帶隙基準源具有高精度、低噪聲、優點，因而廣泛應用于電壓調整器、數據轉換器(A/D, D/A)、集成傳感器、大器等，以及單獨作為精密的電壓基準件，低溫漂等許多微功耗運算放。

從電路的連接方式角度來看，基準電壓源主要分為兩類。一類是三端式(輸入、輸出和公共引出端)，又稱串聯式基準源。這種基準源的主要優點是靜態電流比較低，可預先調整好標準輸出電壓，輸出電流可以很大，而又不損失精度。另一類是二端式，又稱并聯式基準源。這種基準源的主要優點是工作極性比較靈活，但對負載要求比較嚴格，有時只能提供非標準電壓。

現狀和發展：

隨著集成電路尤其是系統集成技術的發展，基準電壓源的應用更為廣泛。而復雜多變的工作環境、日益廣闊的應用空間，都為基準電壓源的發展提供了機遇和挑戰。尤其是如何進一步降低基準電壓源的溫度系數和噪聲，提高它的電壓穩定度和長期穩定性，將成為人們長期關注和努力的課題。目前，己經出現利用MOS管中載流子的遷移率和閱值電壓的溫度效應進行互補償的設計技術等等。這預示著隨著VLSI和SOC技術的迅猛發展，及各種新技術、新工藝的不斷應用，高精度基準電壓源的設計技術還將不斷進步，具有更加廣闊的發展空間。

不間斷電源(UPS)

背景知識：

不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。

現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。

基本原理：

UPS(Uninterruptiable Power Supply)譯為不間斷電源。由20世紀60年代的旋轉發電機發展到目前的具有一定智能化程度的靜止式全電子電路，它也是隨著電子技術特別是功率器件和自動控制技術的飛速發展而日趨成熟的。其基本功能是：

市電中斷供電時，能不間斷供電；

始終向負載提供高質量的交流電源，達到穩壓.穩頻.抑制浪涌.尖峰.電噪音.補償電壓下陷.長期低壓等因素干擾。

按其工作原理分為動態式（又稱旋轉式ROTATORY TYPE）和靜態式（STATIC TYPE）。動態式UPS由引擎與發電機組構成，它是靠交流市電驅動交流電動機旋轉，從而帶動同軸的交流發電機和慣性飛輪同速旋轉運行，由發電機向負載供電。市電波動時由于慣性飛輪對短時間的電壓突變后干擾無反應，保證了輸出電壓的穩定；市電斷電靠飛輪的慣性將額定電壓供電再延長5秒鐘，由于保存數據信息。后來發展到內燃機式UPS系統，但這類UPS體積大噪音大.效率低，在目前應用不多。就目前用得最多的，最常用的UPS還是靜態式UPS，現在一般講的UPS也是指靜態式UPS，但在概念上還是應分清楚。

靜態式UPS

動態式UPS因應用較少，所以在人們通常所指的UPS大都指靜態式UPS。靜態式UPS根據供電方式可分為在線式（ON-LINE），后備式（或稱離線式，OFF-LINE/BACK-UP）及線上交互式（LINE-INTERACTIVE）三類。

真在線式UPS電源的定義是：當輸入，負載和UPS本身都正常工作時，UPS電源將輸入的交流市電先通過整流器變成直流電，然后通過逆變器將直流電逆變成交流電，輸出標準的穩定的純凈的正弦波電源，也即在一切都正常的情況下，負載得到的是由逆變器輸出的高質量的正弦波電源。

后備式UPS電源的定義是：當輸入，負載及UPS本身都正常工作時，UPS僅僅是將市電做簡單的升壓，降壓和濾波處理，然后直接輸出給負載使用，只有當輸入電源不符合要求時，UPS才將電池的直流逆變成交流電，輸出給負載使用。也即，在大部分時間，負載使用的是輸入電源本身或經過簡單處理的輸入電源。

互動式UPS電源的定義是：當市電電源在約150~264伏的范圍內，它向用戶提供經鐵磁諧振穩壓器或經變壓器抽頭調壓處理的一般市電電源（這就意味著：來自一般市電電網的頻率波動，由“諧波污染”而形成的高波形畸變度及從電網串入的干擾等所困擾的低質量電源就是用戶所實際使用的交流電源）對于這種UPS來說，僅僅當市電電源電壓低于150伏或高于264伏左右時，它才有可能向用戶提供真正的“UPS逆變器高質量的正弦波”電源。

現狀和發展：

智能型UPS是當今UPS的一大發展趨勢，隨著UPS在網絡系統上應用，網絡管理者強調整個網絡系統為保護對象，希望整個網絡系統在供電系統出現故障時，仍然可以繼續工作而不中斷。因此UPS內部配置微處理器使之智能化是UPS的新趨勢，UPS內部硬件與軟件的結合，大幅度提高了UPS的功能，可以監控UPS的運行工作狀態，如：UPS輸出電壓頻率，電網電壓頻率、電池狀態以及故障記錄等。還可以通過軟件對電池進行檢測、自動放電充電，以及遙控開關機等。網絡管理者就可以根據信息資料分析供電質量，依據實際情況采取相應的措施。當UPS檢測出供電電網中斷時，UPS自動切換到電池供電，在電池供電能力不足時立即通知服務器做關機的準備工作并在電池耗盡前自行關機。智能型UPS通過接口與計算機進行通訊，從而使網絡管理員能夠監控UPS，因此其管理軟件的功能就顯得極其重要。