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消防应急照明和疏散指示系统中开关电源的考虑

2020-01-15

       消防应急照明和智能消防疏散指示系统中使用的开关电源的不间断运行非常重要,除了要考虑输出功率、输入电压范围、输出电压调节范围和电压调整率、负载调整率、精度、稳定度和转换效率等技术参数外,还要考虑动态响应、电磁兼容、可靠性方面的技术参数。

       GB51309 - 2018规定,对于A类应急照明电源,除系统主电源断电时需切换到备电供电,其它所有时间都是由开关电源给系统供电。所以开关电源的稳定性决定了系统的稳定性,开关电源的转换效率直接决定了整个系统的能量利用率,减少开关电源的整体发热量,提高转换效率可以提高开关电源的稳定性。开关电源的转换效率直接决定了整个系统的能量利用率,要提高转换效率,除了使用更加优质的元器件以外,最重要的是使用效率更高的电路拓扑结构和控制方法,如无桥整流、LLC软开关和同步整流技术,这三者结合可以很容易地将开关电源在220 VAC输入时候的转换效率提高到95 % 以上,远高于普通硬开关拓扑开关电源不到90 % 的转换效率,同时软开关技术可以实现开关电源的高频化和小型化,对降低开关电源的整体成本有极大帮助。

       动态响应是评定开关电源稳定性的重要指标,当负载出现突变时,所有电源都会有一个响应时间,此时电源的输出电压会出现瞬间的过冲或回落,然后恢复正常输出状态。当开关电源在负载突变时的电压过冲或回落的幅度比较大,恢复的时间会较长甚至出现输出电压振荡现象时,表示该开关电源的稳定性很差,容易出现输出振荡导致损坏电源和负载。

      GB17625. 1 - 2012《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流 ≤ 16 A)》规定了每相输入电流 ≤ 16 A设备的电磁兼容要求,对应急照明系统的开关电源也需满足标准中C类设备的电磁兼容要求,对开关电源的输入电流谐波也作出了规定。

      开关电源的寿命是指先后经过初期故障及偶发故障期后再到达磨耗故障期,当整体故障率高达63 %时即已达到了寿命期。开关电源的故障率曲线一般呈现两头高、中间低的特征,符合浴盆曲线的特性。国际上通用的可靠性定义为:在规定条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。此定义适用于一个系统,也适用于一台设备或一个单元。平均无故障时间(MTBF)是开关电源的一个重要指标,用来衡量开关电源的可靠性。可靠性R(t)的定义为系统在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的概率,比如系统在开始(t = 0)时有n0个元件在工作,而在t时刻仍有n个元件在正常工作,则可靠性 R(t)=n / n0,故0 ≤ R(t)≤ 1。通常情况下,失效率是指平均失效率,为单位时间内失效的元件数与元件总数的比例,以λ表示,λ = Nt / (t×N0),其中Nt为t时刻失效的样品总数,N0为开始(t = 0)时刻的样品总数,t为试验时间。

      当系统中使用多个开关电源模块并联供电时,由于每个开关电源的输出电压不能做到完全一致,在施加负载时,输出电压最高的电源模块首先提供电流,当该电源模块达到最大输出电流开始降低输出电压时,输出电压次高的开关电源才能开始输出电流,其结果是分担电流多的模块热应力大,降低了系统的可靠性。因此,对于使用多个开关电源模块并联供电的系统,要求系统中各个开关电源模块承受的电、热应力基本相当,也就是说,必须采取某种相应的措施,保证系统不致于因各电源个体情况的差异,造成电热不平衡而引起的恶性循环,影响系统特性和可靠性。负载均流技术就是对系统中各并联电源模块的输出电流加以控制,尽可能使各个电源模块能均分系统总输出电流,确保多个电源模块间电流应力和热应力均匀分配,防止一台或多台电源模块运行在电流极限值状态,保证系统可靠运行的一种措施。目前主流的均流方法主要有平均值均流和最大值均流,平均值均流每个并联电源模块的电流放大器输出端接一个相同的电阻到一条公共均流母线上,形成平均值母线,当其中一个电源模块的电压比母线电压高时,输出电压下降,从而限制其输出电流达到所有模块均流的目的;最大值均流法是每个电源模块的电流放大器输出端通过一个二极管接到一条公共均流母线上,输出电流最大的模块自动成为主模块,美国优尼则公司的UC3907集成均流控制芯片就工作在这种方式下。除此之外,还有数字均流技术,各模块之间通过通信线相连,各模块内部的数字控制器通过通信总线交换各自的输出电流,然后控制器协商各自的输出电流达到均流的目的,与模拟均流技术相比由于不需要模拟电平的均流母线,不容易受到干扰,均流可靠性得到提高。

      此外,考虑到消防应急照明和疏散指示系统的使用环境的复杂性,其内部开关电源需具备输出长期短路不损坏开关电源且短路消除后能自动恢复的功能。

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