变阻负载的开关电源设计与应用

babyjiejie

变阻负载的开关电源设计与应用 [复制链接]

一、普通开关电源的输出特性
对于通常意义上的开关稳压电源来说，一般要求其有快速的输出响应。图1-1是标准电源输出响应曲线。
从输出响应曲线来看，一般要求电源能够在毫秒数量级的时间段内，迅速地完成从零上升到额定工作电压值，或者从额定工作电压值回复到零。这样，可以保证负载能够迅速进入或者脱离有效的工作状态。对于一个恒定的阻性负载来说，电源就必须有一个在短时间内，能变化到负载要求的额定电流的供应状态，即满足所谓的负载能力。而一般情下，这种负载能力是设计好的，电源总是在开机的瞬间能够达到设计要求，并且在额定电流状态下稳定的工作，维持各项设计指标在相应的范围内。
开关电源在设计时，为了合理的保护电源自身的安全工作，在一个合适范围内，都设计了一系列的保护电路，比如过流、过压、过热、欠压保护等等。一旦超过了保护的界限，电源就会迅速切断输出并且报警，使电源不会因为超过了设计的负载能力。而出现非正常的工作状态，甚至损坏电源本身。
从图中可以看出，当输出电流超过额定电流达到某个数值比例关系时，输出电压会迅速下降或者为零，同时输出电流也迅速下降或者为零。通常保护的电流值选择在额定电流值的120～130%之间，视负载的具体情况来定。过大的输出电流值对于电源或者负载来说，都可能带来灾难性的后果。
二、变阻参数负载的特点
在物理课上，我们都学过一个基本的电路定律：克希荷夫定律(Kirchhoff's law)。它的基本表述是：在一环形电路中，总电动势与总电流和电阻之积相等。通常我们在计算某一电阻的电流时，都是通过测量该电阻两端的电压，利用克希荷夫定律计算出电流值的，也可以在预知端电压的情况下，测量负载的电阻值来计算通过电阻电流的大小。
但是，在有一种情况下，会出现例外。取一个40W白炽灯泡，用万用表电阻档测量其电阻值为104Ω，根据计算，在220V的电压下，通过灯泡的电流应该是2.16A。而如果电流是2.16A的话，根据同样的计算公式，得到的灯泡功率就应该是475W而不是40W。实际上，根据预先知道的功率和电压可以计算出灯泡的工作电流值应该是0.182A，而据此又可以计算出灯泡的电阻应该是1210Ω。
这种前后矛盾的计算结果并不是克希荷夫定律出了问题，而是因为白炽灯是一个变阻负载，它在冷却的时候，呈现为低阻状态，而在工作的时候，它呈现为高阻状态。也就是说，对于白炽灯而言，在刚通电时，电流很大，正常工作时，电流很小。这种启动时产生大电流的现象，我们称之为浪涌电流(surge current)。
人们大都经历过在开灯的瞬间，灯泡一闪把钨丝烧断的体验，这就是浪涌电流的杰作。
电子管，不论它小到收音机里的“花生管”还是大到广播电视发射机里的大功率电子管，都需要灯丝来加热，为电子的发射提供相应的能量。电子管灯丝的特性和白炽灯基本相同，电子管灯丝也是变阻负载。
使用钍钨材料制造的大功率电子管灯丝，在绝对温度2000K时的电阻约为在室温时(300K)电阻的7倍[6]。如果在室温下直接将额定电压加于灯丝，则瞬态电流最大值达额定电流的7倍。这样高的电流产生的电磁力可能把钨丝拉断，造成电子管损坏。
由于现在广播电视发射机的频率很高，波长很短，因此电子管内部各电极间的距离就很小，不同材料制造的电极由于膨胀系数的不同，在灯丝加热时，钨丝先热起来，热量缓缓地传给支架。由于阴极支架的热容量很大，需几分钟才能达到热平衡。温度不均匀产生的较大的热应力会使钍钨阴极变形，造成放射下降甚至栅极碰极。
灯丝电压对电子管的发射能力影响甚大，一只6.3V的管子可容许的电压范围只是5.8V至6.7V之间，当其长期工作在6.7V的灯丝供电时，10万小时的寿命会减为6万小时左右，这是由于发射力太活跃而加速了阴极的老化所致。相反地如灯丝供电电压太低时，同样会引起大问题，例如灯丝电压降到5.35V时，则一只原本能正常工作10万小时的新管子便会缩短到只有2万小时左右。原因是管子内的温度不足，使管中各结构材料内的残余气体大量释出，其中部分会依附到阴极表面，而阴极表面有残余气体依附的地方会引起物理变化，便永不再发射电子，这样阴极的发射面积便越来越小了，此乃著名的阴极中毒现象。久而久之，管子的发射力便告大降，换句话说，即是衰老了
实验数据表明[7]，对于电子管而言，稳定的灯丝电压对输出的稳定和电子管寿命的延长都是有益处的。
为了减少上述问题的出现，避免在给变阻负载供电时产生浪涌电流，是我们要解决的主要问题。而为电子管灯丝提供长期稳定的工作电压，则有利于改善发射机的工作指标，并有利于延长电子管的使用寿命。
三、适应变阻负载的开关电源设计
随着半导体器件可靠性的提高，开关电源的频率和效率也在不断提高，开关电源也越来越多地应用于各种电器设备当中。
但是如果用开关电源来为变阻负载供电的话，要么提供超过额定工作电流很多的负载能力，来应对浪涌电流的冲击，要么为了适应浪涌电流而取消过流保护，前者会造成经济上的浪费，而后者会带来电源使用安全上的问题。
因此，广播电视发射机里使用的大功率电子管，长期以来一直都未能用稳压电源供电，实际上还是没有解决好电源的浪涌电流和变阻负载特性之间的矛盾问题。
把开关稳压电源的输出特性设计成电压平滑起动，也就是让电源输出特性的上升沿变的非常缓慢，从豪秒数量级变为分钟数量级的，就可以用它来为广播电视发射机管的灯丝供电了。
图3-1就是改进前后输出曲线示意图。
四、输出平滑特性的实现
变阻负载对开关稳压电源输出特性的要求，与通用型的开关稳压电源的输出特性有着本质的不同，因此仅仅延长输出上升沿还是不够的，还需要改变其保护电路的控制逻辑。
我们着手对开关电源的控制部分加以重新设计，从而实现平滑的输出特性。图4-1是我们对PWM的开关电源芯片进行控制调整的设计框图。
从框图可见，我们直接控制PWM芯片中比较放大器的输入端，使放大器的输出幅度缓慢的上升，在脉宽改变的同时改变它的幅度，见图4-2，达到使输出电压的幅度缓慢上升的目的。在平滑控制的过程中，欠压保护电路暂停动作，当平滑过程完全结束后再行接入。平滑控制的速率和幅度可以在控制芯片里预先用软件设置好，根据不同的用途和环境要求来改变。比如，对于非常寒冷的北方，为了使电源既能快速加到灯丝上又不要出现过流保护的情况发生，我们在开机时让电源给出一个只有额定电压七分之一的输出电压，保证在不使电源过流的情况下，具有最大的预热电压，如图4-3示的平台区，提高了预热效率，减少了预热时间。
五、应用与效果
过去，国内的电视发射机中电子管的灯丝电源，使用的都是变压器降压整流滤波来供电的，对于电压波动比较厉害的地区，这种不稳定的供电电压会带来电子管寿命的降低，而对浪涌电流的冲击处理不善时，也常会产生碰极故障。
现在，我们在大功率发射机的电子管中，改由这种平滑输出的开关电源为灯丝供电，带来的效益是明显的。例如，河南省广播电视中心发射台的一台10kW发射机，是意大利生产的，末级采用法国Thomson公司的TH371电子管，该电子管的灯丝电压为8V，电流为180A，出厂标称寿命是一万个小时，改用平滑输出的开关电源后，曾经创下三万六千小时的记录，而这种电子管的售价是RMB150000元/每只。
还有一个例子是，吉林三岔河电视转播台的电视发射机，原来每年要更换两只电子管，改用平滑输出的开关电源作为灯丝电源后，两年多都没有换电子管。
作为一项新技术的推广，目前国内许多使用大功率电子管的广播电视发射台，都采用了经过改进的开关电源来为电子管的灯丝供电。从大量使用情况来看，可以说在改善发射机的技术指标，提高节目的播出质量和延长电子管的使用寿命方面都取得了满意的效果。

245016767

这个th371那个电台还用啊

破茧佼龙

先顶个再仔细看

hk6108

我觉得是 灯丝阻值分布不均过甚，导致 均温进程失败，温度及分压的两极化恶性互动 令功率愈趋集中于一点，才是冲击电流会把灯丝烧断（而不是整条炸飞）的成因。