单元电路论文范文
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第1篇
关键词：三端离线PWM开关；正激变换器；高频变压器设计
引言
TOPSwitch是美国功率集成公司（PI）于20世纪90年代中期推出的新型高频开关电源芯片，是三端离线PWM开关（ThreeterminalofflinePWMSwitch）的缩写。它将开关电源中最重要的两个部分——PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET集成在一块芯片上，构成PWM/MOSFET合二为一集成芯片，使外部电路简化，其工作频率高达100kHz，交流输入电压85～265V，AC/DC转换效率高达90％。对200W以下的开关电源，采用TOPSwitch作为主功率器件与其他电路相比，体积小、重量轻，自我保护功能齐全，从而降低了开关电源设计的复杂性，是一种简捷的SMPS（SwitchModePowerSupply）设计方案。
TOPSwitch系列可在降压型，升压型，正激式和反激式等变换电路中使用。但是，在现有的参考文献以及PI公司提供的设计手册中，所介绍的都是用TOPSwitch制作单端反激式开关电源的设计方法。反激式变换器一般有两种工作方式：完全能量转换（电感电流不连续）和不完全能量转换（电感电流连续）。这两种工作方式的小信号传递函数是截然不同的，动态分析时要做不同的处理。实际上当变换器输入电压在一个较大范围发生变化，和（或者）负载电流在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式，因此，常要求反激式变换器在完全能量和不完全能量转换方式下都能稳定工作。但是，要求同一个电路能实现从一种工作方式转变为另一种工作方式，在设计上是较为困难的。而且，作为单片开关电源的核心部件高频变压器的设计，由于反激式变换器中的变压器兼有储能、限流、隔离的作用，在设计上要比正激式变换器中的高频变压器困难，对于初学者来说很难掌握。笔者采用TOP225Y设计了一种单端正激式开关电源电路，实验证明该电路是切实可行的。下面介绍其工作原理与设计方法，以供探讨。
1TOPSwitch系列应用于单端正激变换器中存在的问题
TOPSwitch的交流输入电压范围为85～265V，最大电压应力≤700V，这个耐压值对于输入最大直流电压Vmax=265×1.4=371V是足够的,但应用在一般的单端正激变换器中却存在问题。
图1是典型的单端正激变换器电路，设计时通常取NS=NP，Dmax<0.5（一般取0.4）,按正激变换器工作过程,TOPSwitch关断期间，变压器初级的励磁能量通过NS，D1，E续流（泄放）。此时，TOPSwitch承受的最大电压为
VDSmax≥2E=2Vmax=742V（1）
大于TOPSwitch所能承受的最大电压应力700V，所以，TOPSwitch不能在一般通用的正激变换器中使用。
夜上海论坛 2TOPSwitch在单端正激变换器中的应用
由式（1）可知，TOPSwitch不能在典型单端正激变换器中应用的关键问题，是其在关断期间所承受的电压应力超过了允许值，如果能降低关断期间的电压应力，使它小于700V，则TOPSwitch仍可在单端正激变换器中应用。
2.1电路结构及工作原理
本文提出的TOPSwitch的单端正激变换器拓扑结构如图1所示。它与典型的单端正激变换器电路结构完全相同,只是变压器的去磁绕组的匝数为初级绕组匝数的2倍,即NS=2NP。
夜上海论坛 TOPSwitch关断时的等效电路如图2所示。
夜上海论坛 若NS与NP是紧耦合，则，即
VNP=1/2VNS=1/2E（2）
VDSmax=VNP＋E=E=1.5×371
=556.5V<700V（3）
2.2最大工作占空比分析
夜上海论坛 按NP绕组每个开关周期正负V·s平衡原理，有
夜上海论坛 VNPon(Dmax/T)=VNPoff[(1-Dmax)/T]（4）
式中：VNPon为TOPSwitch开通时变压器初级电压，VNPon=E；
夜上海论坛 VNPoff为TOPSwitch关断时变压器初级电压，VNPoff=（1/2）E。
解式（4）得
夜上海论坛 Dmax=1/3（5）
夜上海论坛 为保险，取Dmax≤30％
2.3去磁绕组电流分析
改变了去磁绕组与初级绕组的匝比后，变压器初级绕组仍应该满足A·s平衡，初级绕组最大励磁电流为
im(t)|t=DmaxT=Ism=DmaxT=(E/Lm)DmaxT（6）
式中：Lm为初级绕组励磁电感。
当im(t)=Ism时，B=Bmax，H=Hmax，则去磁电流最大值为
夜上海论坛 Ism==(Hmaxlc/Ns)=1/2Ipm(7)
式中：lc为磁路长度；
Ipm为初级电流的峰值。
根据图2（b）去磁电流的波形可以得到去磁电流的平均值和去磁电流的有效值Is分别为
下面讨论当NP=NS，Dmax=0.5与NP=NS，Dmax=0.3时的去磁电流的平均值和有效值。设上述两种情况下的Hmax或Bmax相等，即两种情况下励磁绕组的安匝数相等，则有
夜上海论坛 Im1NP1=Im2NP2（10）
夜上海论坛 式中：NP1为Dmax=0.5时的励磁绕组匝数；
NP2为Dmax=0.3时的励磁绕组匝数；
设Lm1及Lm2分别为Dmax=0.5和Dmax=0.3时的初级绕组励磁电感，则有
Im1=E/Lm1×0.5T为Dmax=0.5时的初级励磁电流；
夜上海论坛 Im2=E/Lm2×0.3T为Dmax=0.3时的初级励磁电流。
由式（10）及Lm1，Lm2分别与NP12，NP22成正比，可得两种情况下的励磁绕组匝数之比为
夜上海论坛 (NP1)/(NP2)=0.5/0.3
夜上海论坛 及(Im1)/(Im2)=(Np2)/(Np1)=0.3/0.5(12)
当NS1=NP1时和NS2=2NP2时去磁电流最大值分别为
Ism1=Im1=Im（13）
Ism2=Im2=(0.5/0.6)Im（14）
将式（10）～（14）有关参数代入式（8）～（9）可得到，当Dmax=0.5时和Dmax=0.3时的去磁电流平均值及与有效值Is1及Is2分别为
Is1=1/4ImImIs1=0.408Im（Dmax=0.5）
夜上海论坛 Is2≈0.29ImIs2=0.483Im（Dmax=0.3）
从计算结果可知，采用NS=2NP设计的去磁绕组的电流平均值或有效值要大于NS=NP设计的去磁绕组的电流值。因此，在选择去磁绕组的线径时要注意。
3高频变压器设计
由于电路元件少,该电源设计的关键是高频变压器,下面给出其设计方法。
夜上海论坛 3.1磁芯的选择
按照输出Vo=15V，Io=1.5A的要求，以及高频变压器考虑6％的余量，则输出功率Po=1.06×15×1.5=23.85W。根据输出功率选择磁芯，实际选取能输出25W功率的磁芯，根据有关设计手册选用EI25，查表可得该磁芯的有效截面积Ae=0.42cm2。
3.2工作磁感应强度ΔB的选择
夜上海论坛 ΔB=0.5BS，BS为磁芯的饱和磁感应强度，由于铁氧体的BS为0.2～0.3T，取ΔB=0.15T。
3.3初级绕组匝数NP的选取
夜上海论坛 选开关频率f=100kHz（T=10μs），按交流输入电压为最低值85V，Emin≈1.4×85V，Dmax=0.3计算则
取NP=53匝。
夜上海论坛 3.4去磁绕组匝数NS的选取
取NS=2NP=106匝。
夜上海论坛 3.5次级匝数NT的选取
夜上海论坛 输出电压要考虑整流二极管及绕组的压降，设输出电流为2A时的线路压降为7％，则空载输出电压VO0≈16V。
夜上海论坛 取NT=24匝。
夜上海论坛 3.6偏置绕组匝数NB的选取
夜上海论坛 取偏置电压为9V，根据变压器次级伏匝数相等的原则，由16/24=9/NB，得NB=13.5,取NB=14匝。
夜上海论坛 3.7TOPSwitch电流额定值ICN的选取
平均输入功率Pi==28.12W（假定η=0.8），在Dmax时的输入功率应为平均输入功率，因此Pi=DmaxEminIC=0.3×85×1.4×IC=28.12，则IC=0.85A，为了可靠并考虑调整电感量时电流不可避免的失控，实际选择的TOPSwitch电流额定值至少是两倍于此值，即ICN>1.7A。所以，我们选择ILIMIT=2A的TOP225Y。
4实验指标及主要波形
输入AC220V，频率50Hz，输出DCVo=15(1±1％)V，IO=1.5A，工作频率100kHz，图3及图4是实验中的主要波形。
图3中的1是开关管漏源电压VDS波形，2是输入直流电压E波形，由图可知VDS=1.5E；图4中的1是开关管漏源电压VDS波形，2是去磁绕组电流is波形，实验结果与理论分析是完全吻合的。
第2篇
在新技术、新设备不断更新的今天，供电企业对安全的要求越来越高，不同层次、不同岗位的员工，随时面临着巨大的压力，安全教育培训是满足员工渴望在一个安全、舒适的环境中工作的自身需求，维护员工权益的基础保障。对于个人来说，员工应通过企业提供的各种安全教育培训，将接受和参与安全教育培训作为企业最大的福利，进行安全知识和安全防护技能的补充、更新、拓宽，提高安全素质，增强新形势下对企业安全需求的适应能力，维护自己最大的权益。
夜上海论坛 当前供电企业安全教育培训工作中存在的问题
夜上海论坛 1.对安全教育培训重要性认识不足。部分基层单位、班组负责人，对安全教育培训工作重要性和紧迫性的认识存在盲区，导致员工岗位安全教育培训工作没有被纳入单位、班组日常工作计划的现象出现，受经济效益、工作进度等客观因素的影响，显现出员工岗位安全教育培训缺乏的现象。
夜上海论坛 2.安全教育培训制度尚不健全。随着供电企业快速发展和企业员工对安全教育培训满意度的变化，现有安全培训制度显现出安全教育培训管理制度或标准的缺失，可操作性欠缺，安全教育培训职能交叉加重了基层的负担等方面的问题。
3.安全教育培训覆盖面不足。基层单位、班组受培训能力限制，导致员工安全教育培训有名无实，流于形式，造成基层员工安全教育培训严重缺失，在不断积累之后造成员工整体安全素质和安全意识偏低。
4.安全教育培训针对性不强。当前，安全培训多以理论讲解为主，由于与现场安全工作实际出现脱节，开展安全教育培训工作之前没有开展前期调研，广泛征求员工对安全教育培训的需求，导致安全教育培训没有真正按照不同专业、不同层次员工的工作特点把握安全教育培训需求，有针对性的拟定安全教育培训计划和实施方案，使基层单位、班组的安全教育培训显现出走过场，为了培训而培训，缺乏针对性等方面的问题。
5.安全教育培训评价管理机制还不够完善。目前，供电企业员工安全培训体系建设逐步趋于完善，但培训评价管理体系相对滞后，导致基层单位、班组安全培训开展情况的监督、检查和培训质效的考核、认证欠缺规范。
夜上海论坛 6.安全教育培训师资较薄弱。一是基层单位、专业班组培训员由于长期从事繁忙的现场工作、接触的专业前沿信息较少、时间和精力有限等原因，导致教育理念更新不及时，教育理论知识相对欠缺；二是由于基层单位、专业班组培训员在承担现场培训教学任务的同时还要面对和处理复杂、动态的现场作业工作，导致培训人员投入到培训教学上的时间、精力很难保证；三是一些基层单位将培训人员承担的培训任务划为义务劳动，缺乏有效的激励机制，导致培训人员在开展安全教育培训教学工作中的积极性受挫，培训效能感下降，从而影响了安全生产教育培训教学质量。
做好企业安全教育培训工作的对策研究
夜上海论坛 1.企业要健全和完善安全教育培训体系的基础建设。企业在完善三级安全教育培训体系的同时，一是在硬件设施的投入和配备等方面要安排专用资金，落实具体部门，建设并完善企业员工安全教育培训基地，配置必要的培训设备和设施，深入基层开展培训课题调研，根据企业安全生产管理要求，制定安全教育培训计划；二是加强企业安全教育培训师资队伍的建设，通过基层选拔、自主培养，专业人员引进等多种方式，做好安全教育培训师资资源的储备，建立能满足企业安全教育培训要求的师资队伍，保证安全教育培训工作的质效，使安全教育培训计划能够得到有效落实。
2.企业要将安全教育培训与企业安全目标愿景进行有效结合。安全教育培训具有形式和载体多元化的特征，但无论是通过企业安全文化建设，还是通过安全知识和技能培训、竞赛、演讲、论坛、专题讲座等形式开展安全教育培训，始终都要同企业安全发展的安全目标愿景相结合。一是企业要将安全教育培训与员工个人的岗位追求、价值追求相结合。从关心员工各方面利益的角度出发，通过安全教育培训使员工树立正确的安全价值观，能够发自内心的真正认识到只有保证了安全，才能得到个人利益，实现个人追求，真正实现“要我安全”到“我要安全”的转变，主动接受安全教育培训，自觉汲取安全知识、提升安全技能。二是安全教育培训要纳入企业的教育培训总体规划中，与专业技能培训、学历教育培训有机融合，确定专责部门和人员统一管理，形成完善的安全教育培训体系，避免安全教育培训流于形式的现象出现，使安全教育培训在培训资金、培训时间、培训场所、培训设施、培训质效等方面从组织结构和管理上得到保障。
3.企业要形成安全教育培训的闭环管理流程。安全教育培训的闭环流程包括全面掌握企业和员工安全技能和素质提升需求，做好安全教育培训需求分析；根据安全教育培训需求有针对性的编制安全教育培训计划，设置培训课程；安全教育培训实施过程和安全教育培训质效评价等四个方面。企业和员工安全技能和素质提升需求调查，是确定安全教育培训目标、制定安全教育培训计划的基础，是进行安全教育培训实施过程和安全教育培训质效评价的前提，也是加强培训工作计划性、针对性、可控性和预见性的关键。企业和员工安全技能和素质提升需求调查主要包括以下几个方面的内容：一是安全教育培训部门和基层单位、班组对企业安全教育培训制度的落实情况；二是企业安全水平和缺陷、隐患、事故状况，员工安全意识、安全技能水平和“三违”现象发生率；三是员工对岗位新工艺、新设备、新技能的认知状况，应急处置技能和水平。
夜上海论坛 编制安全教育培训计划和设置培训课程，应根据各级安全教育培训体系组织机构实际，结合安全教育培训需求调查制定。计划要做到有目标、有内容、有措施，注重针对性、实效性、可行性和操作性。
安全教育培训实施过程首先是要明确培训要求，科学合理的控制培训进度，着重从员工安全意识的提升、安全知识的完善、安全技能的补缺等方面提高员工整体安全素质。基层的单位和班组在安全教育培训工作的实施中，可从制度、规范、常态、学用结合等方面出发，采用安全知识和技能培训、竞赛、演讲、论坛、专题讲座等多种形式，唤起员工参与安全教育培训积极性；把握好安全理念、安全启迪、事故警示、人机互动等环节，对员工进行全方位的安全教育培训；结合工作实际和安全实践经历，紧贴本单位和班组安全生产工作实际，开展安全知识和技能学习、讨论分析事故案例等，真正做到有的放矢。
安全教育培训质效评价是安全教育培训取得实效的保障，包括评估确定、评估方案制定、评估实施和评估反馈四个步骤。一是利用听课、座谈、问卷调查等方式，对参培人员进行培训计划安排、培训内容、培训教材、培训进度、培训环境、后勤服务、授课技巧等方面认可程度的评价；二是利用试卷答题、技能实操以及撰写培训心得体会等方式，掌握参培人员对培训内容的掌握情况和安全知识与技能的提升情况；三是通过对参训者行为观察及访谈其主管或同事，评定参训者接受培训后在工作行为上的变化；四是评估培训后带来的组织相关产出的变化效果。
第3篇
关键词：低功耗；无线供能；电荷泵整流器；低压差线性稳压器；带隙基准电压源；电源抑制
中图分类号：TM44；TN722；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04
0 引 言
近几年，受益于集成电路工艺技术与片上系统（System on Chip，SOC）的不断发展，射频识别、微传感网络以及环境感知等智能技术得到了飞速发展。其中，对于无线供能植入式芯片的能量管理、功耗等问题受到了持续关注与研究。当能量采集完成后，如何管理该能量是下一代被动与半被动植入式医疗设备的要点之一。
夜上海论坛 在低功耗植入式芯片中，如低噪声放大器、模数转换器等对工作电压及其纹波都有一定的要求，因此须通过无线能量管理单元（Wireless Power Management Unit，WPMU）将其电源性能优化。在被动式芯片中，电荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、带隙基准源（Bandgap Reference，BGR）、低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要组成单元[1]。芯片工作时，人体各种低频信号（EEG、ECG）会通过相应的耦合方式传输到电源通路上，从而产生低频噪声，因此必须采用相关技术获得高电源抑制比电源。论文首先通过电荷守恒定理对传统Dickson电路进行动态分析及能量转换效率的改进；然后采用电源抑制增强（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）与前馈消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技术分别提高BGR、LDO在运放工作带宽内的电源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在输出节点并联电容以滤除超高频纹波；最后为保证LDO在负载变化时的稳定性，利用零极点追踪补偿来满足相位裕度的要求。
论文对高性能无线能量管理单元预设指标为：
（1）CPR在输入500 mV交流小信号时能输出2 V电压并驱动200 A的电流。
夜上海论坛 （2）BGR输出电源抑制比在LDO的工作范围内尽可能大于60 dB，以减小对LDO的影响。
夜上海论坛 （3）LDO输出电源抑制比在生物信号频率处（01 kHz）及CPR输入信号处大于60 dB，从而提供负载电路高性能的工作电压。
（4）在满足以上性能的情况下，尽可能减小电路工作时的静态电流。
夜上海论坛 1 无线能量管理单元的基本原理
图1所示为论文采用的无线供能能量管理单元拓扑结构。由图1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保护电路（PRO）等模块。芯片通过片外天线采集到由基站发射的高频无线能量信号，CPR将信号整流后进行升压，产生纹波较大的电压，并将该能量储存到Cs中。由BGR与LDO所组成的环路通过负反馈输出纹波较小的VDD来驱动负载电路。其中BGR为LDO提供一个精准稳定的参考电压，因此BGR的性能影响着LDO输出电压的性能。芯片中的保护电路包括过温保护电路、过压保护电路、限流电路，其主要目的在于意外情况下对电路关断，实现对电路的保护。
设计能量管理单元时，在无线供能的环境下要注意相关性能的优化，而这又伴随着其它性能的牺牲，下面将详细分析论文采用的CPR、BGR、LDO设计原理及电路结构。
夜上海论坛 3 版图及后仿真结果
采用SMIC 0.18 m CMOS工艺，在Cadence下对电路进行仿真验证，无线能量管理单元的版图如图7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模块，芯片的尺寸大小为277 m×656 m。
电路在工作时要避免反馈环路发生震荡，必须保证LDO环路的相位裕度，论文在tt、ff、ss三个工艺角下对其进行不同负载电流（0200 A）的仿真，仿真结果如表1所列。该结果表明在负载电流0200 A内，由于零极点追踪补偿的作用，相位裕度均大于60度，根据奈奎斯特稳定判据，LDO环路能在负载变化的范围内稳定工作。
图8所示为BGR、LDO的PSR仿真波形，从图中可以看出，BGR采用PSRB技术后，PSR在低频降低了近25 dB。当LDO采用FWC技术时，电源抑制在低频段得到了显著提升，电路空载时，在100 Hz内提升了近20 dB，满载时提升了近40 dB。
夜上海论坛 图912给出了WPMU中CPR与LDO的相关瞬态仿真结果，当输入频率为500 MHz、幅度为0.5 V的正弦波时，电路建立时间约为13 s，CPR的纹波约为5 mV，而LDO的输出电压纹波减小至2.3 V，即高频处PSR约为-66 dB。因此论文采用的LDO在生物信号频率处（DC-10 kHz）与输入信号频率处（100 MHz以上）具有较好的PSR。表2对相关文献与本文设计进行性能比较，可以看出，该电源管理单元能输出性能更好的工作电压。
4 结 语
夜上海论坛 论文针对CPR、LDO、BGR进行研究，设计了一种应用于低功耗无线供能植入式医疗芯片的能量管理单元。采用SMIC 0.18 m CMOS工艺提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB将BGR的PSR在低频处从-75 dB降低到-95 dB，这是优化LDO电源抑制能力的基本前提。通过FWC、零极点追踪补偿改善LDO的PSR与稳定度，在驱动0.2 mA的负载电流时，PSR为-85 dB@DC，而相位裕度在负载范围内均大于60度，该性能可适用于对电源性能要求较高的模块。
参考文献
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