开关电源工作原理及电路图

一、开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算,
即Uo=Um×T1/T
式中Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。
从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1、基本电路

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

2.单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

3.单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

4.自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

5.推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100-500W范围内。

6.降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7.升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

8.反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

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国内光刻第一股来了!;

集微网报道,科创板自设立以来,就得到了中芯国际、沪硅产业、安集科技等众多优秀的半导体企业的青睐,这些企业无不是拥有业内领先的半导体技术,投资者也愿意给予这些高成长企业更高的估值。

同样,在目前正冲刺科创板上市的数百家企业中,也不乏拥有核心技术,并打破国外垄断成功实现进口替代的明星企业,芯碁微装便是其中之一。

芯碁微装是专业的光刻设备供应商,专注服务于电子信息产业中PCB领域及泛半导体领域的客户,为客户提供直接成像设备、直写光刻设备以及相应的维保服务。经过多年的深耕与积累,芯碁微装累计服务近70家客户,包括深南电路、健鼎科技、胜宏科技、景旺电子、维信诺、中电科、佛智芯、沃格光电、矽迈微电子、中国科学院半导体研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国电子科技集团公司第十一研究所等知名企业和研究机构。

芯碁微装拟将IPO募集资金用于高端PCB激光直接成像(LDI)设备升级迭代项目、晶圆级封装(WLP)直写光刻设备产业化项目、平板显示(FPD)光刻设备研发项目和微纳制造技术研发中心建设项目。通过上述项目的实施,公司将进一步满足下游不断发展的光刻设备应用需求,为公司未来业绩的增长和业务发展打下坚实的基础。

4月1日,芯碁微装成功登陆科创板,成为“国产光刻设备第一股”。

3月31日晚,芯碁微装举行了首次发行上市答谢酒会,政府领导、证券机构、行业客户等各界朋友等近三百位嘉宾出席芯碁微装上市答谢酒会,一起分享芯碁微装上市的喜悦,并纷纷预祝芯碁微装成功上市。

国家IC大基金总裁丁文武致辞

中国科学院集成电路创新研究所院长叶甜春致辞

国家IC大基金总裁丁文武、中国科学院集成电路创新研究所院长/国家02专项总设计师叶甜春分别上台讲话表达了对芯碁微装上市的热烈祝贺。

图示:左一芯碁微装董事长程卓,左二合肥市委副书记罗云峰,右二华登国际合伙人黄庆,右一华登国际合伙人彭桂娥博士

政策+市场双轮驱动,业绩爆发毛利率上升

众所周知,以光刻设备为代表的高端装备制造业是半导体产业的“硬伤”之一。目前,我国高端PCB制造及泛半导体产业所需的高端设备主要依赖进口。此外,高端光刻设备被列入《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》,属于出口管制的范围。

为打破国外企业的技术封锁和垄断,推动国产光刻设备产业的发展,我国政府出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》等一系列产业政策,助力我国光刻设备产业技术水平的提高,也为企业创造了良好的经营环境。

同时,泛半导体行业处于高景气周期,叠加“国产替代”逻辑,以泛半导体为代表的科技股成为近年来A股市场的领涨主力,而泛半导体设备行业更是A股市场的“当红辣子鸡”,这对于主要生产高端泛半导体设备的企业在二级市场上构成利好。

芯碁微装主要产品及服务包括PCB直接成像设备及自动线系统、泛半导体直写光刻设备及自动线系统、其他激光直接成像设备以及上述产品的售后维保服务,实现了PCB领域和泛半导体领域的国产替代,是国内泛半导体领域唯一能与国外对标的光刻设备企业之一。

近年来,芯碁微装的业绩呈现出快速增长的趋势,基本面强劲。2017年至2019年,公司营业收入分别为2218.04万元、8729.53万元和20226.12万元,年复合增速达到201.98%;净利润分别为-684.67万元、1729.27万元和4762.51万元。2020年公司实现营业收入31008.76万元,净利润7103.89万元,当年增长率超过50%。

与此同时,芯碁微装所处PCB直接成像设备及泛半导体直写光刻设备制造行业具有较高的技术壁垒,公司综合毛利率整体也处于上升通道,由2017年的37.05%上涨至2020年上半年的48.32%。

持续加码技术创新,掌握关键核心技术

近年来,随着人工智能、大数据、云计算、物联网等技术的蓬勃发展,下游终端产品迎来创新潮,带动PCB产品全面升级,同时消费电子、汽车电子、5G等产品销量的爆发式增长,也给泛半导体产业带来了巨额需求。

目前,我国正在承接高端PCB、半导体、显示面板等产业转移,国内厂商纷纷开启新一轮扩产,在自主可控的国家战略任务影响下,以芯碁微装为代表的具备核心技术优势的上游设备企业将有望受益市场需求的持续爆发,并获得较为领先的市场份额。

芯碁微装深知,技术创新是公司保持竞争优势的关键。自成立以来,公司始终坚持在直写光刻设备领域的创新,持续加大研发投入。2017年至2019年,其研发投入分别为791.80万元、1698.10万元和2854.95万元,年均复合增长率达89.88%。这为公司形成体系化的技术升级能力和打造不断深化的技术创新优势提供了重要保障。

持续的技术研发投入也为公司积累了大量技术成果,截至2020年6月末,芯碁微装已获得71项国家专利授权,其中发明24项,实用新型44项,并拥有13项软件著作权。

同时,芯碁微装已掌握直写光刻设备关键系统模块的自主研发能力,形成了系统集成技术、光刻紫外光学及光源技术、高精度高速实时自动对焦技术、高精度高速对准多层套刻技术、高精度多轴高速大行程精密驱动控制技术、高可靠高稳定性及ECC技术、高速实时高精度图形处理技术等一系列直写光刻关键技术。

此外,芯碁微装还承担了一系列国家级、省级重大科研项目,正在推进晶圆级封装光刻设备、IC 载板曝光设备等多个研发的项目,并与安徽大学、中国科技大学、中科院等多所高校、企业、科研机构所建立了多层次、多方位的技术合作关系,为公司持续科技创新以及未来发展提供强劲动力。

打破依赖进口格局,成为国产设备中坚力量

在泛半导体领域,芯碁微装抓住了国内集成电路及平板显示产业快速发展的机遇,通过自主研发推出了适用于500nm及以上线宽的掩膜版制版光刻设备及IC制造直写光刻设备,可应用于下游IC掩膜版制版以及IC芯片制造、MEMS、OLED显示面板制造过程中的光刻工艺环节,成功实现了在制版领域\科研院所、产线试验及少量多品种等应用场景下的市场销售,实现进口替代,打破我国在该领域内长期高度依赖进口的局面。

此外,在半导体直写光刻设备的技术基础上,于2018年推出首条国产OLED显示面板直写光刻自动线系统(LDW-D1),线宽精度达0.7um,属于世界领先水平,并且成功通过了下游显示面板客户的产线验证。为进入高世代线显示面板制造领域及高精度芯片制造领域打下了坚实的基础。

随着全球泛半导体产业进入新一轮扩产周期,在供应链自主可控的趋势下,国产泛半导体设备厂商将会迎来爆发新契机。而作为即将登陆A股的泛半导体设备厂商——芯碁微装有望借助资本市场的力量加大研发投入,实现高质量发展,成为国产泛半导体设备厂商的中坚力量。

(校对/GY)

集微网


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