供电架构之供电构型分类

发布于:2025-08-09 ⋅ 阅读:(21) ⋅ 点赞:(0)

1. 按供电系统类型分类

  • TN系统:所有电气设备的外露可导电部分均接到保护线上,并与电源的接地点相连,这个接地点通常是配电系统的中性点。TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种表现形式[7]。

  • IT系统:电力系统与大地间不直接连接,电气设备的外露可导电部分通过保护接地线与接地装置相连。

  • TT系统:电力系统有一个直接接地点,电气设备的外露可导电部分通过保护接地线与独立的接地装置相连。

2. 按供电系统接线方式分类

  • 放射式接线系统:由总配电柜或变电所低压配电箱给每个配电柜和用电装置供应一个出线回路保护的供电系统,安全性较高,但经济效益较低[2]。

  • 树干式接线系统:在总供电系统中或变电所低压配电箱引出的分支系统,安全性较低,但经济性较好[2]。

  • 混合式接线系统:结合放射式和树干式的特点,灵活运用在不同的供电场合[2]。

  • 链式接线系统:在同一根主电线路上串联几个分支配电箱和供电装置,投入成本不高,但安全性较低[2]。

3. 按供电系统运行方式分类

  • 开式接线系统:系统中的线路在正常运行时不构成闭合回路。

  • 闭式接线系统:系统中的线路在正常运行时构成闭合回路,如环式接线系统。

4. 按供电系统对负荷供电可靠性的要求分类

  • 无备用接线系统:系统中没有备用线路,一旦线路发生故障,将导致部分或全部负荷停电。

  • 有备用接线系统:系统中有备用线路,当一回线路发生故障时,其余线路能保证全部或部分重要用户的供电。有备用接线系统又可分为完全备用系统和不完全备用系统[7]。

5. 按供电系统电源类型分类

  • 直流供电系统(DC):使用直流电源向设备提供电能,适用于对电压稳定性有要求的设备[3]。

  • 交流供电系统(AC):使用交流电源向设备提供电能,传输效率高,适用范围广[3]。

  • 太阳能供电系统:利用太阳能光伏板将太阳能转化为电能,具有可再生、环保的特点[3]。

  • 蓄电池供电系统:通过将电能储存于电池中,然后再向设备提供电能,常用于需要备用电源或无法连通电网的场合[3]。

6. 按供电系统架构分类

  • 集中式供电架构:如动态UPS系统和巴拿马电源系统,将电源设备集中放置,通过配电系统向各个用电设备供电[1]。

  • 分布式供电架构:如DPS供电系统和48V分布式供电系统,将电源设备分散放置在靠近用电设备的位置,减少输配电损耗[1]。

下面主要是单板常用的供电构型---------集中式供电架构和分布式供电架构介绍

一块单板常常涉及多种电源,常见的如5V,3.3V,2.5V,1.8V,1.5V,1.2V,1.0V,0.9V,0.75V等,如此多种类的电源不可能都直接通过背板从电源获得,一般,单板仅有一种或两种输入电源,再由他们产生单板器件上所需要的电源。

一、电源架构

常用的电源架构有两种:集中式电源架构(CPA)和分布式电源架构(DPA)。

集中式电源架构:指系统由一个独立电源供电,并由这个独立电源直接变换得到单板所需要的各种电源。其缺点在于,对单板上的每种电源,都需要采用隔离式的DC/DC电源模块,而隔离式电源模块的成本远高于非隔离式电源模块,且每增加一种电源,其成本和PCB面积都需要相应的增加。

分布式电源架构:采用两级电源转换,第一级提供单板输入端电源到单板中间电源的转换,这一级需采用隔离式电源模块;第二级则实现由中间电源到板内各个电源之间的转换,这一级采用的是非隔离式电源模块。这种架构又称为中间总线架构IBV。

中间电源的电压值可选择为12V,10V,或者9V等,第一级电源的目的是获得中间电源,同时为单板提供电源隔离保护,因此可以输出较大的纹波和噪声,而第二级电源的目的是 输出单板上所需要的电源,因此重点是限制输出端的噪声和纹波,同时提高转换效率。

二、电源电路的分类

常见的电源电路有整流、斩波、变频、逆变等几种类型。

整流:将交流电转换为直流电的过程,常见的AC/DC就是整流型。

斩波:将某一电平的直流电转变为另一电平的直流电的过程。常见的如DC/DC。

变频:将某一频率下的交流电转换为另一交流电的过程。其作用是节能,调速。

逆变:将直流转换为交流电的过程,一般用于可移动便携式供电。

最常见的电源变换类型是直流转直流即斩波,有两种常用的电路可实现该功能:LDO和DC/DC。

三、LDO电源介绍及应用要点

如图所示,LDO(低压差线性稳压器)的核心部件是一个工作在线性区的调整管(晶体管或MOSFET)以及一个放大器构成。

如图所示,由R1和R2构成的分压网络对输出电压Vout采样,采样值送往放大器,与内部参考电压Vref比较,差值经放大器放大后,驱动VT,以实现对Vout的调整。当Vout减少时,Vref与采样值的差值增大,放大器输出电压增大,使调整管的压降减少,Vout增大,反之亦然,最终都将使Vout回到设定值。对LDO而言,通过调整R1与R2的阻值,可实现对Vout电压值的调整。

LDO的特性参数:输入电压、输出电压、最大输出电流、输入/输出电压差,功耗,线性调整率、负载调整率,接地电流,温度,

四、DC/DC电源介绍

1.DC/DC电源与LDO电源的比较

DC/DC是指直流到直流,且转换方式是由开关方式实现的电源为DC/DC电源。

LDO的优点是低噪声纹波,应用简单、成本低、输出/输入几乎无延时,而缺点是功耗大、效率低、只能用做降压变换、只支持小电流的输出(受散热条件的限制,LDO最大功耗不能超过3W)、无法实现输入/输出的隔离。LDO的这种特性与其内部的晶体管工作在线性区有关。

DC/DC电源的MOSFET工作在开关状态,通过控制MOSFET导通和截止的时间比率,可实现对输出电压值的配置。与LDO相比,DC/DC的优点是功耗低、效率低、支持升压、降压、反相等变换,且支持大电流的输出,并能支持输出/输入端的隔离,而缺点是纹波较大,电路设计复杂、成本相对较高、输入输出存在较大延迟。

2.DC/DC电源的调制方式

DC/DC电源的调制方式有三种:PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。其中,PWM是最为常见的调制方式。

PWM指脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation ) . PFM指脉冲频率调制C Pulse

Frequency Modulation ) 。

PWM采用恒定的开关频率,通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下,开关频率恒定,每隔一段时间(开关周期teYC} ),开关都会有一段时间(tON)处于导通,即不存在长时间被关断的可能性,因此具有以下优点:噪声低、效率高,对负载的变化响应速度快,且支持连续供电的工作模式,但同样基于PWM的这种工作方式,使得其在轻负载时效率较差,工作不稳定,因此在轻负载时,设计上需提供假负载。

PFM则通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。与PWM的持续工作方式不同,PFM工作时,在输出电源电压超过设置电压后,其输出将被关断,直至输出电源电压跌落到低于设置电压后,才重新开始工作。基于这种工作方式,PFM的功耗相对较低,在轻负载时,其效率之高尤为显著,且轻载时无需外部提供假负载,但在PFM调制方式下,输出端对负载变化的响应相对较慢,且输出电压的噪声和纹波相对较大,同时,由于无法提供限流功能以致其不适合工作于连续供电方式。

3.DC/DC电源分类

根据输出电压与输入电压之间的关系,DC/DC电源可分为降压、升压、反相三种类别。(需注意,LDO仅支持降压变换‘)。以降压为目的DC/DC电源电路称为BUCK电路,以升压为目的的DCDC电源电路称为BOOST电路,而以反相为目的的DC/DC电源电路称为BUCK-BOOST电路。以下简要介绍BUCK电路和BOOST电路。

1)BUCK电路

BUCK电路由开关管Q,续流二极管D,以及在输出端起储能和滤波作用的器件L, C构成。DC/DC电源芯片输出PWM调制波形,控制开关管Q的通断,在一个开关周期t内,Q导通和关断的时间分别定义为tON和tOFF 。

4.总结

①DC/DC电源电路的优点是功耗低、效率高,支持升压、降压、反相等多种变换方式,且支持大电流的输出,并能支持输入输出端的隔离,而缺点是纹波大、电路设计复杂、成本相对较高、在输入和输出端存在较大的延时。

②DC/DC电源有两种调制方式:PWM和PFM。 PWM的优点是噪声低、效率高,对负载的变化响应速度较快,且支持连续供电的工作模式,但缺点是轻负载时效率较差、工作不稳定;PFM的优点是轻载时效率较高,缺点是输出端对负载变化的响应较慢,且输出电源的噪声和纹波相对较大,不适合工作于连续供电方式,PWM/PFM混合调制模式有利于发挥这两种模式各自的优点。

③在BUCK电路和·BOOST电路的应用中,需注意MOSFET导通和关断时电流的流向。
 

参考资料: [1] 万方数据知识服务平台 [2] 万方数据知识服务平台 [3] 供电系统分为哪几种 供电系统由哪几部分组成 - 与非网 [4] 分布式供电的架构-电子发烧友网 [5] 供配电设计 | 建筑供配电系统的分类与组成,超全解析!_导线_电压_线路 [6] 配电网典型电网结构示意图_供电_区域_联络 [7] 供电系统_百度百科 [8] 供电系统_百度百科 [9] 供电方式_百度百科 [10] 一种低压直流起动供电构型(CN202011213183.7)-中国专利【掌桥科研】


网站公告

今日签到

点亮在社区的每一天
去签到