一种低延时低功耗PWM比较器电路设计

设计了一种基于HHGrace 0.35μm BCD工艺的低延时低功耗电压型静态脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)比较器,主要应用于高频低功耗的开关电源系统。设计中包含动态尾电流源和改进型正反馈放大器,以改进传统跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA)型比较器高延迟和高功耗等问题。仿真结果表明:在1.2~5.0 V供电电压范围内稳定工作,最大上升沿延时35 ns,最大下降沿延时41 ns,支持6 MHz开关频率的系统,比较精度8 mV,失调电压439μV,静态功耗仅为2.5μA(1.2 V供电)和4.4μA(5.0 V供电)。

双路电源的主动均流电路系统研究

广泛使用的低成本电源管理芯片或直流电源模块通常并未集成输出均流控制功能,因此不能直接并联输出使用。而使用特殊的电源管理芯片或是额外的均流控制电路会提高电源电路的复杂程度,造成电路成本的提高。针对此应用场景,提出了一种具有主动均流功能的双路电源开关,作为负载开关或电源多路复用器应用于电路之中,利用开关电流的方法均分输出电流,在几乎不增加电路成本的同时对两路电源进行均流。阐述了所提双路电源开关的工作原理与参数设计方法,并通过仿真与实验证明了所提方法的正确性与可行性。

一种基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器

直流电流没有自然过零点,因此开断直流短路电流比开断交流短路电流更为困难。本文介绍一种基于磁耦合电流转移原理的中压10kV直流断路器拓扑方案,该断路器可实现对15kA直流电流的快速开断。首先,对直流断路器原理和控制逻辑进行介绍;然后,根据拓扑方案提出快速机械开关、电力电子开关、磁耦合装置等核心部件的设计思路;最后,搭建仿真模型对该方案进行仿真分析,模拟不同工况下的开断情况,仿真结果验证了该方案的有效性。

直流稳压电源的设计

随着人类的生活水平和科学技术的进步,电力系统在人们的生活中的作用日益突出。当今社会电子设备的应用越来越广泛,对其电源的使用要求越来越高。通过开关电源、线性电源和反激式电源的基本原理,分析了DC/DC变换器中的调制方法,从电源在便携式设备中的应用需求出发,在总结分析现有技术的基础上,通过系统设计、电路原理图设计和PCB布局设计,进行电路板的性能验证,结果表明所设计的直流电源适应于便携式设备,性能稳定,满足设计要求,为同类产品的设计提供参考。

涂层传热性能对母线散热能力影响分析

为提升电力开关柜散热性能、提高供配电稳定性,本文依据传热学基础理论对电力开关柜传热过程进行分析,采用溶液共混法成功制备了适用于电力开关柜母线散热的涂层材料,并基于电磁-热-流多物理场耦合原理构建了电力开关柜涂层-热分析模型,结合母线负载电流计算理论,从涂层热导率、发射率等方面对涂覆散热涂层前后的电力开关柜传热特性进行分析。结果表明:涂层热导率相比于涂层发射率对母线温升影响较小,母线表面涂覆涂层之后,B相母线表面发射率由0.2增大到0.846时,三相母线最大负载电流与未涂覆相比提升18.75%。

低抖动大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关

为了发展结构简单、便于维护的大功率气体火花开关,研制了大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关,该开关采用电晕放电均压方式,由9个相同的间隙构成。利用有限元分析方法对9间隙电晕均压气体火花开关的电场进行了分析,发现适合长度的电晕针对开关主间隙的电场影响很小,且加载触发脉冲时可在中间间隙形成了强烈的畸变电场。在理论分析的基础上,开展了开关击穿特性研究,实验结果表明电晕均压有利于提升开关的稳定性,开关自击穿电压分散性降低,自击穿电压略微增大;同时多间隙开关实现了良好的触发导通,在工作电压60~85 kV(工作欠压比56.8%~80%)范围内,开关的击穿延时抖动均小于20 ns,当工作电压达到80 kV以上时,抖动可小于10 ns。文中设计的大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关可用于直线脉冲变压器等脉冲功率系统,使用的基于电场模拟对电极结构进行优化的方法对设计其他类型的开关具有借鉴意义。

智能功率模块驱动的反激式开关电源优化设计

为了实现智能功率模块(IPM)驱动电源的高效化与低成本化,利用反激式变压器的特点,设计了一款应用于IPM驱动的隔离型多路输出反激式开关电源,对控制芯片供电电路转换时电压进行稳定性优化。仿真及实验结果表明,优化后控制芯片供电波形稳定,反激式开关电源输出在5 ms时达到稳定,误差小于2%,波纹系数小于2%。

轻载工况下基于效率优化的双向无线电能传输系统半桥调制策略

针对基于全桥拓扑的双向双LCC无线充电系统调制策略在轻载工况下功率因数和效率下降严重的问题,该文在不改变全桥结构的基础上,提出一种半桥调制策略。首先对双向双LCC补偿电路进行通态效率建模,并定量分析影响效率的关键变量及其约束条件,从而为调制策略的优化提供理论依据;在此基础上,对所提双边半桥调制策略的工作原理、正导通角优化关系及软开关实现条件进行详细分析,证明该策略在保证开关器件零电压导通的同时,可显著减小外移相角,从而有效提高系统的功率因数和运行效率;最后,搭建3.3 kW的双向无线电能传输系统样机进行对比实验,实验结果表明,所提半桥调制策略在1/4满载及以下的轻载工况下效率最高可达95.6%,且在输出电压宽范围变化时都能够取得明显的优化效果。

基于CPLD的交换机电源时序研究

针对传统硬件延迟电路的设计复杂且容易受外界环境影响,难以满足高性能交换机中多模块多电源上电时序要求严格的问题,采用国产安路的可编程逻辑器件和Verilog语言的有限状态机设计对交换机中CPU、FPGA和交换芯片进行上电时序控制。利用Modelsim对延迟模块和上电时序进行仿真验证。结果表明,上电时序控制设计的延迟为毫秒级别,状态机12个状态实现快速跳转,满足上电时序要求,并可以修改代码调整上电时序,适用于服务器、交换机等网络设备。

高速SiC-MOSFET叠层封装结构设计及性能评估

作为脉冲系统的核心部件,开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用,开关通断速度往往决定脉冲上升时间,高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构,整体布局无引线、无外接,具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究,揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律,明确了封装结构电磁薄弱环节,为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台,对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明,大电流工况下,所提封装电流开通速度提升48%,关断速度提升50%,开通损耗降低54.6%,关断损耗降低62.8%,实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。

基于频率切换实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统

电场耦合无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)技术的实际应用中,有些用电设备需要系统具有不同的恒定输出特性(恒流/恒压),即系统输出电压或输出电流与负载解耦,此外,系统还需具备在恒流、恒压模式间按需切换的功能。针对该需求,基于LC-CLC谐振网络提出1种具有恒流/恒压输出特性的EC-WPT系统,分析LC-CLC谐振网络特性,推导恒流/恒压输出特性的实现条件以及恒流频率和恒压频率的计算方法,并给出系统参数设计方法,分析系统对工作频率的敏感性。最后通过仿真和实验验证所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。实验结果表明所提出的系统在输入电压恒定的不同负载工况下分别实现2 A的恒流输出以及96 V的恒压输出,其最大传输效率分别为87.83%及88.17%。

基于3D封装的低感双向开关SiC功率模块研究

双向开关在固态断路器、光伏逆变器等领域具有不可替代的作用,而低损耗、高开关频率的双向开关SiC功率模块得到了越来越多的关注。然而,现有双向开关SiC功率模块仍然沿用传统Si功率模块的封装方法,难以适应SiC器件的高速开关优势。针对双向开关SiC功率模块的低感封装需求,提出一种芯片堆叠的3D封装集成方法。给出了3D封装的电路拓扑和几何结构,分析3D封装的换流回路和寄生电感规律,设计3D封装的技术工艺,并研制了双向开关SiC功率模块样机。采用双脉冲测试的实验结果验证了所提3D封装双向开关SiC功率模块的可行性和有效性。

医院周期性电工倒闸对医疗设备的危害分析及应对策略

目的:制定医疗设备配电安全目标与应对策略,最大程度降低电工倒闸对医疗设备的危害。方法:基于危害分析与风险评估(HARA)方法,从医疗设备安全管理角度对2018-2023年北京儿童医院的电工倒闸进行医疗设备危害因素分析与风险评估,采用戴明循环(PDCA)管理法的闭环管理流程,制定精细化的医疗设备配电安全目标与应对策略。结果:2023年医院配电室开展的2次周期性电工倒闸操作共发生6台次设备故障问题,显著低于2018-2022年电工倒闸导致的20.4台次故障平均值,且一级负荷科室等高风险级区域故障为零。结论:制定的医疗设备配电安全目标与应对策略针对性强、执行度高,是实施医疗设备全生命周期精细化管理的有效方法。

一种抑制封装中电源噪声的新型电磁带隙结构

面向高密度集成系统级封装中同步开关噪声引起的电源完整性问题,设计了一种新型电磁带隙结构。该结构由互补开口谐振环单元结构和类L-bridge型的单元间连桥结构形成,刻蚀缝隙以降低贴片的有效电容,增大连桥长宽比以增加贴片的有效电感。采用电磁全波仿真软件HFSS对所提出结构进行建模与仿真。仿真结果表明,以抑制深度-40 dB为标准,能够达到12.9 GHz的超宽禁带,明显优于常规电磁带隙结构,可以更好地抑制同步开关噪声。

Sub-6 GHz GaAs pHEMT高功率吸收型单刀双掷开关

基于0.5μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺,设计了一款高功率吸收型单刀双掷开关芯片。芯片采用堆叠技术和前馈电容技术来提高功率容量和线性度。通过在传统串并联结构的输出端口引入串并联阻容匹配网络,实现了芯片在导通和关断状态下的良好端口匹配。该开关芯片的尺寸为0.82 mm×0.37 mm。实测结果显示,在0.7~6.0 GHz的工作频段内,该开关实现了低于1.1 dB的插入损耗、高于36 dB的隔离度、优于15 dB的通路回波损耗和优于10 dB的断路回波损耗。此外,0.1 dB功率压缩点在1、2、4和6 GHz时,均约40 dBm。

一种基于新型低功耗开关策略的10 bit 120 MS/s SAR ADC

设计了一种10 bit 120 MS/s高速低功耗逐次逼近模数转换器(SAR ADC)。针对功耗占比最大的CDAC模块,基于电容分裂技术并结合C-2C结构,提出了一种输出共模保持不变的双电平高能效开关控制策略;在降低CDAC开关功耗的同时,摆脱了CDAC开关过程中对中间共模电平的依赖,使得该结构适用于低电压工艺。在速度提升方面,控制逻辑使用异步逻辑进行加速;比较器采用一种全动态高速结构,在保证精度的前提下其工作频率达到3 GHz;CDAC中插入冗余位,以降低高位电容对充电时间的要求。所设计的SAR ADC使用40 nm CMOS工艺实现,采用1.1 V低电压供电。在不同工艺角下进行性能仿真,结果显示,在120 MHz采样率下,有效位数为9.86 bit,无杂散动态范围为72 dB,功耗为2.1 mW,优值为18.9 fJ/(conv·step)。

基于北斗短报文的低功耗定位系统的设计

为解决传统定位系统功率损耗大,无法在脱机状态下长时间工作的问题,设计了一款基于硬件低功耗和软件“正常工作-休眠工作”双模式循环的定位系统。在硬件部分,该系统选用低功耗单片机STM32L431控制GPS定位模块CNS35和北斗短报文模块TM0558,并对供电电路实时采集。在软件部分,加入了“休眠工作”模式,实现与“正常工作”模式的循环切换。结果表明:该低功耗定位系统可实现定位误差低于2.5 m、通信成功率≥85%、双SIM卡切换等基本功能;且在单次循环为4 min的前提下,“正常工作2 min-休眠工作2 min”的工作方式将能量损耗降低至“正常工作4 min”方式的64.7%,续航时间延长了11.16 h。

基于逆全极点滤波器的高频PWM噪声整形方法

高频开关功率放大器具有高功率、低纹波、高响应的优点,是高加速、高精度定位系统的核心部件。为了解决高频PWM中开关频率与占空比分辨率的矛盾,该文分析调制中噪声整形的基本原理,采用误差反馈结构提取PWM量化噪声进行数字整形,阐述噪声整形滤波器设计约束条件。提出通过逆全极点无限脉冲响应(IIR)滤波器获得有限脉冲响应(FIR)噪声整形滤波器的简明设计方法,仿真及实验表明,该文提出的方法可利用低阶FIR整形滤波器获得平坦的通带和高整形衰减。在不足9位的PWM中,4阶的FIR噪声整形滤波器能够恢复调制信号在10 kHz频段内约40 dB的信噪比损失。

空间站电动工具开关按钮性能退化特性加速寿命试验与可靠性评估

面向中国空间站在轨寿命评估与延寿需求,以舱外电动工具开关按钮为对象,开展综合考虑在轨长期贮存与短期作业交替影响的加速寿命试验,设置多温度水平,研究开关按钮性能退化特性和失效机理,并采用基于伪寿命分布的可靠性评估方法开展评估工作。加速寿命试验结果显示:开关按钮在50℃和80℃温度下出现按压力松弛现象,按压力退化与时间呈线性关系;在110℃和140℃温度下出现卡滞、卡死和润滑脂溢出现象,且按压力迟滞量在贮存后期显著增大。可靠性评估结果显示:开关按钮满足10年寿命末期可靠度0.9954的指标要求。文章所述研究方法可为空间站内其他长期贮存单机的可靠性评估提供借鉴。

多电平三相电压源逆变器结构优化设计

目前多电平三相电压源逆变器被广泛应用于高压、大功率电子设备中,为解决传统三相电压源逆变器运行中出现的直流侧电容电压失衡问题,基于空间矢量调制开关直流电源对逆变器结构进行优化设计。建立多电平三相电压源逆变器等效模型,利用60°坐标的空间矢量调制算法实现空间矢量调制,利用电容电压平衡算法充分考虑不同矢量间的切换顺序,实现电容电流平衡。实验结果表明,对比传统方法,该方法调制多电平三相电压源逆变器输出线电压波形畸变率为0.18%,电容点电压波动可控制在3 V以内,优于对比方法,具有更好的应用性能。