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電源模塊范文1
跨多種應用領域的系統設計人員具有類似的需求以及對傾向于采用dc/dc電源模塊的要求。最經常提到是對更薄厚度、更小面積、更高效率及更大功率密度[1]等特性的需求。新一代dc/dc電源模塊應運而生,正開始步入市場以滿足上述要求。這些雙輸出和三輸出隔離式模塊運行于標準的-48V局端電源中,可提供3W~100W的功率。它們包括輸出電壓最低達1.0V的模塊及最高輸出電流達30A的模塊。
尺寸
系統設計人員為在更小空間中實現更高性能的信號處理電路,所面臨的競爭挑戰日益激烈。先進的DSP與ASIC有助于提供此功能,但需要更多電壓較低的電源軌,并需具備高精度排序與調節。通過減少實施電力系統所需的整體模塊數,最新的多輸出電源模塊滿足了這一要求。
描述模塊效率面積(平方英寸)成本(1千/年)
多個單輸出隔離式模塊33W效率單輸出3.3V/9A89.0%3.742.38美元
20W單輸出2.5V/8A75.0%3.0638.52美元
總計:77.6%9.82119.42美元
單個三輸出隔離式模塊25A三輸出3.3/2.5/1.8V87.0%5.4196.64美元
多輸出電源模塊提供了可節省板級空間的獨特設計選擇。分布式電源架構正逐漸滲透電信與數據通信市場。就需要超過三種不同電壓的應用而言,設計人員可使用多輸出模塊提供電源總線隔離,并可為各種負載點模塊供電。這種配置使設計人員不必再擔心使用所有單輸出模塊所需的板級空間。
電氣性能
排序
最新的DSP、ASIC、FPGA及微處理器需要多個低電壓,并可能要求復雜多變的加電/斷電排序。由于產品上市時間的限制,眾多更高級產品(其中電源模塊僅是該產品的一個組件)的設計沒有時間或板級空間來構建外置排序電路。而且,即便不受時間與板級空間的限制,他們也必須考慮組件成本的增加。比較簡單的解決方案就是選擇采用可利用新型內部排序多輸出電源模塊的系統電源架構。
例如,諸如德州儀器(TI)PT4850系列的三輸出模塊的加電特性就能夠滿足微處理器及DSP芯片組的要求。該模塊運行于標準的-48V輸入電壓下,其額定組合輸出電流可達25A。輸出電壓選項包括一個用于DSP或ASIC內核的低電壓輸出,以及兩個用于I/O和其他功能的額外電源電壓。
PT4850提供了最佳的加電順序,可監視輸出電壓,并可在短路等錯誤情況出現時提供所有電壓軌道的有序關閉。所有三個輸出均在內部進行排序以便同時加電啟動。
在加電啟動時,Vo1起初升至約0.8V,隨后Vo2與Vo3快速增加至與Vo1相同的電壓數。所有三個輸出而后一起增加,直至每個均達到其各自電壓為止。該模塊一般在150ms內產生完全自動調整的輸出。在關閉時,由于整流器活動開關的放電效果,所有輸出快速下降。放電時間一般為100µs,但根據外部負載電容而有所差異。
效率
在低功率應用中,即便最小的dc/dc電源模塊可能也會有數百毫瓦的靜態損失。這解些損失主要由耗費功率的組件造成的,如整流器、交換晶體管及變壓器。如果使用一個部件來提供原本需要二至三個獨立分組部件所做的工作,那么就可以減少耗費功率的組件總數量。如表1所示,這提高了9.4%的效率。
一些最新的多輸出模塊可在全額定負載電流中以90%的效率運行。這樣的高效率恰恰是由那些使用MOSFET同步整流器的拓撲實現的。該整流器消耗的電量比上一代dc/dc電源模塊中使用的肖特基二極管耗電要少。
互穩壓
最新的多輸出電源模塊采用先進的電路,消滅了互穩壓問題,提高了輸出電壓的波紋和瞬態相應。根據以前的經驗,在模塊的任何一個輸出上增加輸出電流均會導致其他輸出上的電壓改變。TI的PT4850與PT4820系列三輸出模塊則解決了這一問題。新一代電源模塊在隔離阻障的輸出端上就每個輸出都采用穩壓控制電路。通過專有磁耦合設計,控制信號可在模塊初級端與二級端之間進行傳遞。圖5顯示了輸出一(≤5mV)在輸出二負載增加情況下的變化。
瞬態與波紋
PT4820與PT4850系列具有出色的瞬態響應和輸出電壓波紋性能等特點。該模塊的三邏輯電壓輸出是獨立調節的,這有助于可與單輸出電源模塊相媲美的瞬態響應(≤200µSec)和輸出電壓波紋(≤20mV)。
成本
多輸出電源組件不再需要兩個或更多單輸出器件,這就減少了成本。表1顯示了電源相同的一個25A三輸出模塊與三個單輸出模塊的對比。
在分布式電源應用中,設計人員通過利用單個多輸出模塊和非隔離式負載點模塊(圖2)替代了高成本的單輸出磚,從而實現了成本節約。也可以實現,由于多輸出模塊在更少組件情況下也可得以實施,因此進一步節約了成本(和板級空間)。例如,在某些應用中,多輸出模塊僅要求一個熱插拔控制器和輸入去耦電容器。相反,這些組件在電源系統中則必須與每個單輸出磚結合使用。
產品上市時間是一種間接成本,利用多輸出電源模塊可減少該成本。這種成本節約主要是由于OEM廠商減少了設計、測試和制造等資源。
故障管理
設計人員必須確定其電源系統如何對故障情況進行響應。當今的多輸出電源模塊結合了先進的故障管理功能。這些功能包括過壓、過流和短路保護,有助于防止損壞設計者的電路。
輸出過電壓保護利用的是可不斷檢測輸出過電壓情況的電路系統。當電壓超過預設級別(presetlevel)時,電路系統將關閉或箝住電源輸出,并使模塊進入鎖定狀態。為了恢復正常操作,一些模塊必須主動重啟。這可通過立刻消除轉換器的輸入電源得到實現。為了實現故障自動保護運行和冗余,過電壓保護電路系統是獨立于模塊的內部反饋回路的。
過電流保護可防止負載錯誤。在某些設計中,一旦來自模塊的負載電流達到電流限制閾值,如果負載再嘗試吸收更多電流的話,那么就會導致模塊穩壓輸出電壓的下降。該模塊不會因為持續施于任何輸出的負載錯誤而損壞。
當模塊各輸出的組合電流超過電流限制閾值時(如任何輸出引腳上發生短路),短路保護將關閉模塊。該關閉將迫使所有輸出的輸出電壓同時降至零。關閉之后,模塊將在固定間隔時間中通過執行軟啟動加電定期嘗試恢復。如果負載故障仍然存在,那么模塊將持續經歷連續的過電流錯誤、關閉和重啟。
靈活性
電壓和電流輸出以及封裝設計的靈活性是多輸出電源模塊的一個關鍵特性。某些制造商可提供24V(18V至36V)與48V(36V至72V)兩種輸入。其采用完全隔離輸出的通用架構可使系統設計人員在雙或三輸出電路中使用模塊,而不會造成過多最低負載要求或互穩壓降級的情況。
由于芯片供應商開發器件的操作電壓不一定符合以前的迭代法,因此電壓和電流輸出方面的靈活性正變得日趨重要。眾多的多輸出模塊都以獨立調節和可調的輸出電壓來解決此問題。為了獲得獨特的電壓,某些模塊上的輸出可從外部電壓進行遠程編程。此外,諸如Tyco公司的CC025等三輸出系列模塊還可以通過使用連接到調整引腳(trimpin)的外部電阻來允許輸出電壓設定點調整。
封裝靈活性簡化了主板設計人員的工作。許多現有的多輸出模塊都使用業界標準的磚形封裝(bricktypepackaging)和面積規格,這確保了引腳兼容性和輔助貨源。TI的Excalibur™系列等創新型模塊均采用具有表面安裝、垂直通孔和平行通孔封裝風格的鍍錫薄板銅盒。
多輸出電源模塊的商業可用性為設計人員提供了極佳的靈活性。表2顯示了一些制造多輸出模塊的業界領先供應商。這些模塊存儲于領先的分銷商處,可為設計資格認證和最后時刻的更改提供極快的可用性。
表2、多輸出模塊制造商
制造商產品類型
Artesyn科技公司15W至60W雙、三輸出
Astec20W至150W雙輸出
愛立信30W至110W雙、三輸出
APower-One2.5W至195W雙、三、四輸出
SynQor40W至60W雙輸出
德州儀器3W至75W雙、三、四輸出
TycoPowerSystems25W至50W雙、三輸出
可靠性
具有高度可靠性的電源系統設計是系統設計人員始終都要面對的挑戰。從內在來說,使用單個多輸出模塊的電源系統的可靠性要高于所有單輸出模塊。例如,一個三輸出模塊可提供1,108,303小時的額定MTBF(902.3FIT)。與此相對照,提供相同輸出電壓和電流的三個單輸出模塊則達到了984,736MTBF(1015.5FIT)的額定MTBF。多輸出模塊之所以具有更高的可靠性,是因為其架構中使用的總體組件數量更少。
結論
隨著產業潮流要求設計人員使用體積更小、效率更高的電源供應,電源模塊制造商推出了可簡化系統設計及操作的多輸出dc/dc電源模塊,以響應上述潮流。最新的多輸出模塊能夠通過為混合邏輯應用(諸如DSP、ASIC和微處理器等)提供穩壓低電壓輸出而使設計人員受益。與前代產品相比,上述模塊顯著提高了給定面積上的功能。在某些情況下,該小型架構所占空間僅為單輸出電源模塊的55%。減少模塊數量也可以降低成本,同時提高效率和可靠性。內置的操作和保護特性免除了開發外部電路系統的任務和費用,從而不僅節省了板級空間,而且還大大加快了產品的上面進程。
電源模塊范文2
解決的關鍵技術
1 電路的設計技術
通過EDA仿真,利用可靠性優化和可靠性簡化技術設計電路參數,著重解決如下問題。
①線路的自激振蕩:合理地選擇消振網絡,消除DC/DC變換器的R、L、C參數選取的不合理性引起的振蕩,減小EMI的電平。DC/DC電源由于工作在高頻開關狀態,很容易形成高頻自激,有時反應為帶滿載時正常帶輕載時自激,有時反映為常溫時正常高溫或低溫時自激,因此元器件的選取、補償網絡的應用顯得尤為重要。
②紋波與噪聲的有效抑制:抑制的方法大致可以歸結為二類,即降低本身的紋波與噪聲和設計濾波電路。
為了抑制外來的高頻干擾,也為了抑制DC/DC變換器對外傳導干擾,通過在DC/DC變換器的輸入端、輸出端設計濾波電路,抑制共模、差模干擾,降低EMI電平。其中,C1、C2、C3為差模濾波電容,C4、C5為共模濾波電容,L1為共模扼流圈,L2為差模濾波電感。
為了減少DC/DC變換器通過輸入、輸出端傳導EMI,除了在輸入、輸出端采取LC濾波外,還在電源的輸入地到金屬外殼之間、輸出地到金屬外殼之間增加高頻濾波電容,以減少共模干擾的產生。但此處要注意電容耐壓要大干500V,以滿足產品隔離電壓的要求。
圖中,L1、C1組成的輸入濾波電路和L2、C2組成的輸出濾波電路能減少紋波電流的大小,從而減少通過輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C1、C2采用多個電容并聯,以減少等效串聯電阻,從而減小紋波電壓。C3、C4、C5、C6用于濾除共模干擾,其值不宜取大,以避免有較大的漏電流。
2 抑制干擾源技術
DC/DC變換器的主要干擾源有高頻變壓器、功率開關管及整流二極管,為此逐一地采取措施。
①高頻變壓器
在開關電源中,變壓器在電路中起到電壓變換、隔離及能量轉化作用,其工作在高頻狀態,初、次級將產生噪聲并形成電磁干擾EMI。當開關管關斷時,高頻變壓器漏感會產生反電動勢E=-Ldi/dt,其值與集電極的電流變化率(di/dt)成正比,與漏感量成正比,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰,從而形成傳導性電磁干擾。變壓器在開關電源中是用來隔離和變壓的,但在高頻的情況下它的隔離是不完全的,變壓器層間的分布電容使開關電源中的高頻噪聲很容易在初次級之間傳遞。此外,變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通道,從而使變壓器周圍產生的電磁波更容易在其他引線上耦合形成噪聲。因此,在設計中采取了以下措施。
為減小變壓器漏感的影響,采用初、次級交叉繞制的方法,并使其緊密耦合。
盡可能采用罐型磁芯。由于罐型磁芯可以把所有的線圈繞組封在磁芯里面,因此具有良好的自我屏蔽作用,可以有效地減少EMI。
為吸收上升沿和下降沿產生的過沖,并有可能造成的自激振蕩,在初、次級電路中增加R、C吸收網絡,以減少尖峰干擾。在調試時須仔細調整R、C的參數,確保電阻R1的值在30~200Ω,電容C1的值在100~1000P之間,以免影響變壓器的效率。
②功率開關管
由于功率管工作于高頻通斷開關狀態,將產生電磁干擾EMI。當開關管流過大的脈沖電流時,大體上形成了矩形波,含有許多高頻成分。由于開關電源使用的元件參數(如開關管的存儲時間、輸出級的大電流、開關整流管的反向恢復時間)均會造成回路瞬間短路,產生很大短路電流。凡有短路電流的導線及這種脈沖電流流經的變壓器和電感產生的電磁場都可形成噪聲源。開關管的負載是高頻變壓器,在開關管導通的瞬間,變壓器初級出現很大的涌流,造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖,輕者造成干擾,重者有可能擊穿開關管。因此,須采取以下措施。
優化功率管的驅動電路設計。通過緩沖電路,可以延緩功率開關管的通斷過程。
采用R、C吸收電路,從而在維持電路性能不變的同時,降低其電磁干擾的EMI電平。
③整流二極管
整流二極管在關斷期,由于反向恢復時間會引起尖峰干擾。為減少這種電磁干擾,必須選用具有軟恢復特性的、反向恢復電流小的、反向恢復時間短的二極管。肖特基勢壘二極管是多數載流子導流,不存在少子的存儲與復合效應,因而也就會產生很小的電壓尖峰干擾,故采取以下措施。
采用R1、C1組成旁路吸收網絡。
采用多個肖特基并聯分擔負載電流,有效地抑制整流二極管形成的EMI電平。
3 產品平面轉化時EMC設計技術
影響產品EMC的方面很多。除了在線路上進行優化設計外,如何在基片有限的空間內合理的安排元器件的位置以及導帶的布線,也將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和產品的電磁兼容性EMC指標。
①平面轉換設計規范
對于電源內部高頻開關器件,如功率VMOS管、高頻變壓器、整流管等,應盡可能地減少其電路電流的環路面積,且不要與其他導帶長距離平行分布。
電源的輸入正端和地線應盡可能地靠近,以減小差模輻射的環路面積。
設計布線時走線盡量少拐彎,拐彎處一般取圓弧形,因為直角或夾角會產生電流突變,產生EMI干擾。導帶上的線寬不要突變,無尖刺毛邊。
導帶印制時應盡量采用高目數的印制網,以便使線電流達到均衡。應選用電流噪聲系數較小、性能穩定性較好的電阻漿料和導帶漿料,保證不會因為工藝參數的因數帶來新的干擾。
盡可能地加粗地線,若地線過細,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電路的信號電平不穩,抗噪聲性能變壞。
②采用金屬全密封結構進行封裝
屏蔽有兩個目的,一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出,二是防止外來輻射干擾進入該內部區域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量進行反射、吸收和引導。為了抑制開關電源產生的輻射,電磁騷擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工金屬外殼,然后將金屬外殼與系統的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。
電源模塊范文3
【關鍵詞】單片機;反饋;DC/DC
1.引言
近一些年來,隨著微電子技術和工藝、磁性材料科學以及燒結加工工藝與其它邊沿技術科學的不斷改進和快速發展,開關穩壓技術,有了突破性進展,并且由此也產生了許多能提高人們生活水平和改善人們工作和學習條件的新工藝產品,如電動自行車,逆變焊機等設備。開關穩壓電源以其獨有的體積小、效率高、重量輕、輸出形式多樣化、功率因數大,穩壓范圍寬等優點已經涉及到了與電有關的所有領域。在這個領域之中,開關穩壓電源已取代前級線性穩壓電源和前級相控開關電源,此外,開關穩壓電源技術和實用技術產品出現后,使得許多電子產品所采用的電池供電成為可能,是許多電子產品微型化和小型化后變為便攜式產品成為可能。所以開關穩壓電源成為各種電子設備和系統高效率、安全可靠運行、低功耗的關鍵,同時開關穩壓電源技術已成為電子技術中備受人們關注的科技領域。
2.方案設計與比較
2.1 方案論證
方案一:題目要求設計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構成的并聯供電系統。由題目已知,采用TI公司的脈寬調制控制器UC3843作為BUCK型拓撲的PWM控制芯片。UC3843集成電路的一般特性及由它組成小功率開關電源的方法。它是通過高性能固定頻率電流模式的控制器專為離線和直流變換器應用所設計的,只需要最少外部元件就能獲得成本效益高的方案。電流工作頻率能到500KHZ,能進行溫度補償的參考電流取樣比較器,精確的占空比控制和大電流圖騰柱式輸出是驅動MOSET管得理想元器件,并且UC3843具有自動鎖存脈寬調制的功能有利于電流比的設定。
優點:以MSP430單片機為主控制器和PWM信號發生器,能根據反饋信號對PWM信號做出調整,從而實現穩壓輸出。系統輸出電壓8.0+0.4V可調,可以通過鍵盤設定和步進調整,電壓調整率和負載調整率低,DC/DC變換器能達到較高的效率。
方案二:利用單片機MSP430,以電壓型PWM控制器TL494為核心,設計一種穩壓輸出開關電源,其回路控制器方框圖如圖1,2,這種方案雖然實現起來較為靈活,可以通過調試針對本身系統做出配套的優化,但是系統調試比較復雜。鑒于此,我們選擇方案一。
2.2 控制方法及實現方案
方案一:利用PWM專用芯片產生PWM控制信號。此法較易實現,工作較穩定,但不易實現輸出電壓的鍵盤設定和步進調整。
方案二:利用單片機產生PWM控制信號。讓單片機根據反饋信號對PWM信號做出相應調整以實現穩壓輸出。這種方案控制系統軟件編程工作量較小,難度不是很大,用脈寬調制型的控制器實現PWM控制,并且完全由硬件產生高頻脈沖,實時性比較好,單片機控制的任務較輕,對單片機硬件資源要求不高,實現起來較為靈活,可以通過調試針對本身系統做出配套的優化。但是此方案硬件電器設計難度較大,電路板布線工作量較大,系統調試比較復雜。
根據要求選擇方案二。單片機和脈寬調制型控制器共同實現整個系統的控制。系統組成框圖如圖3所示,脈寬調制器產生高頻脈沖直接DC/DC變換模塊,單片機實現液晶顯示、AD/DA轉換、、處理電壓反饋信號、過流保護、對脈寬調制器進行控制、顯示等功能;過流保護電路負載電流不超過2.5A;負載電壓負反饋電路進一步對負載電壓進行精確控制。
3.理論分析與計算
DC/DC變換器穩壓方法:
單端反激DC/DC變換器電路拓撲電路的原理:變壓器T1所引起的隔離和傳遞存儲能量的作用,即使在開關管VT開通的時候,Np會存儲能量,當開關管VT關斷時,NP會向NS釋放出能量。當在輸出端加電感器L0和電容C0構成低通濾波器時,變壓器的初級會有由Cr、Rr和VDr構成的RCD漏感尖峰吸收電路,輸出回路有一個整流的二極管VD1。若變壓器使用有氣隙的磁心,則其銅損耗會較大,變壓器溫升會相對較高,并且輸出的紋波電壓比較大;但是電路結構簡單,適用于200W以下電源,并且多路輸出交調特性相對比較好。
電流電壓檢測:(1)電壓檢測是采用電阻分壓的方法取得的,通過兩只大交流電路進行分壓,二極管的正負鉗位電壓送入跟隨器的電壓在-5~+5之間,經過跟隨器隔離之后再通過比例運算放大器等比例放大,然后送入采樣保持器。這樣就可以得到被測的信號。(2)電流的檢測,一般使用互感器,分流器等將電流信號處理并放大,作為后面電路保護和檢測用。
均流方法:工作框圖:所采用的是自動均流方法,這種均流方法采用一個窄帶電流放大器,輸出端口通過阻值為阻值為R連到均流的母線上,n個單元使用n個這種結構。
當輸出達到均流時,電流放大器輸出電流的I1這時I01處于均流的工作狀態。相反地,電阻R產生一個電壓,由這個電壓控制A1,然后A1再控制單元功率級輸出電流,最終使之達到均流。采用這種方法,可以使均流效果比較好,從而比較容易實現準確均流。在具體使用過程中,如果出現均流母線短路或者接在母線上的一個單元不處于工作狀態時,母線電壓會下降,將會使得每個單元輸出電壓會下調,甚至有可能達到下限,從而造成故障。并且當某一個模塊的電流上升至最大輸出電流,電流放大器輸出電流也會達到極限值,同時使得其他的單元輸出電壓自動下降??梢詷嫵啥嘤嘞到y,均流模塊在數理論上可以不限。但是此方法的缺點是為使系統在動態調節過程中始終保持穩定狀態,通常要限制最大調節的范圍,要將所有電壓調節到電壓捕捉的范圍以內。如果有一個模塊均流線意外短路,則使得系統無法均流。單個的模塊限流可能引起系統的不穩定。在大系統中,系統穩定性與負載均流瞬間響應的矛盾很難解決。如果圖5中的電阻R支路上串一只二極管,則構成所謂的最大電流自動均流法。
過流保護方法:如圖6所示,利用電流互感器T2來監視負載的電流IT,IT在通過互感器的初級時,會把電流的變化耦合到它的次級,從而在電阻R1上會產生壓降。二極管D3會對脈沖電流進行整流,經過整流后再由電阻R2和電容C1進行平滑濾波。如果發生過載現象的時候,電容器C1兩端的電壓會迅速地增加,會使得齊納管D4處于導通狀態,從而驅動晶體管S1的導通,然后S1集電極的信號可以用來作為電源變換器調節電路的信號驅動。
電流互感器也可以用鐵氧體磁芯或MPP環形磁芯來繞制,但是要經過反復的試驗,從而來確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應該達到匝數比是電流比一般地,互感器的Np=1,Ns=NpIpR1/(Vs+VD3)。具體繞制數據還要最后經過實驗調整,使其性能達到最佳的狀態。
4.設計實現
在設計中碰到的一些問題,比如,單片機產生的PWM好像驅動不了MOS管,我們得外加驅動;又控制信號不用單片機,只用一個電容電阻,或555定時器,再用一個三極管和滑動變阻器,反饋也可以。
5.測試
(1)測試使用的儀器:萬用表,接觸調壓器,示波器。
(2)產生偏差的原因:a.對效率所進行的理論分析和理論計算時,采用的器件參數的典型值,但實際器件的參數有明顯的離散性,電路性能可能因此而無法達到理論分析數值。b.電路的制作工藝并不是理想的,從而會增加電路中的損耗。
(3)改進方法:a.使用性能更好的器件,如換用導通電阻更小的電力MOS管,采用低阻電容;b.采用軟開關技術,從而進一步減小電力MOS管的開關損耗;c.采用同步式開關電源的方案,用電力MOS管代替肖特基二極管以減小損耗;d.優化軟件控制算法,進一步減小電壓調整率和負載調整率。
參考文獻
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作者簡介:
電源模塊范文4
關鍵詞 V24B36C200BL模塊;便攜式X射線源;大功率電池電源
中圖分類號 TM 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2011)122-0105-02
電池供電便攜式直流X射線源主要用于無損檢測、安全檢查領域,在醫療領域也有少量應用。在安全檢查領域,該類X射線源配以合適的成像系統,由于其攜帶方便、操作簡單、適應性強,被安全部門等廣泛應用于各種現場下發現的可疑物品和包裹的EOD排爆處置;海關邊防移動搜查武器彈藥和違禁物品;在機場和海關等領域不能用常規掃描裝置探測的特大型物件。它能夠有效、快捷、安全的對突發恐怖事件威脅做出響應。
這種類型的X射線源功率一般在150 W左右,要求電池電源系統提供200 W以上的功率輸出,與此同時,由于是用于便攜式系統,電池組的尺寸和重量不能太大,一般重量控制在1 kg以下。
X射線源系統控制和功率驅動電路對電池電源系統的要求還有:電池組能耐受峰值20 A左右的中頻(20 kHz以上)脈沖電流;高壓發生器設計和控制驅動電路要求電池組能輸出24 V或更高的36 V以上的直流電壓。
滿足以上諸多苛刻要求的高電壓輸出的電池組的設計與制造涉及相當高的技術難度,國外同類產品價格均在5000元左右。日前,我們在研制電池供電便攜式X射線源時,試驗研究了采用大功率DC-DC模塊V24B36C200BL將24 V電池組電壓升高到39 V,構建大功率電池電源供電系統給X射線源供電的方法,降低了對電池組的技術要求,取得了較好的結果。
1 V24B36C200BL介紹
V24B36C200BL微型化DC-DC模塊是美國Vicor公司生產的一種高功率密度、高可靠性、低噪聲、高變換效率電源模塊,它采用了高頻
1 MHz軟開關零電流ZCS技術。輸出功率200 W;輸入電壓:18 V-36 V,適應電池電壓的大范圍變化;耐輸入浪涌電壓:50 V/100 ms;輸出電壓36 V;轉換效率:≥87%;功率密度:≥80 W/in3;最大短路電流:7.51 A;可并聯N+M使用。
V24B36C200BL的管腳定義如圖1所示。
+Vin、-Vin:直流電壓輸入正、負端。
PC:此端是集電極開路結構,可作為模塊使能/關斷控制端。當它被拉低到0.65 V(相對-Vin)以下時,模塊關閉;此端浮空時,模塊工作。此功能可通過外接放大器或繼電器方便實現。同時,對于模塊頻繁開關的場合,此端接1μf左右的電容,可提供軟啟動功能。
PR:當多個模塊并聯以提高輸出功率時,此端輸出的脈沖信號可用于模塊間的同步。通過模塊的這一功能可實現電池組的并聯使用。
+Vout、-Vout:直流電壓輸出正、負端。
+S、-S:正、負輸出電壓測量/遙感端。。
SC:此端使輸出電壓在額定值的10%-110%范圍內可調。
2 系統組成及原理
本文所述便攜式直流X射線源電池電源系統,為X射線源功率電路的燈絲驅動電路、高壓驅動電路提供39 V電源,電源功率大于160 W,同時為高壓及束流控制電路提供+15 V、-15 V電源。系統的關鍵部分―大功率39 V電源通過V24B36C200BL模塊及其電路實現,+15、-15 V電源通過Cosel的ZUW102415模塊及其電路實現。系統的電路原理圖如圖2所示。
電路的輸入端接24 V大功率鎳氫電池組或鋰聚合物電池組,電池組應支持10 A以上大電流放電,輸入電壓變化范圍在18 V-30 V,為降低X射線源開關瞬間所產生的電池電壓與電流的尖峰,在+Vin與-Vin端間并聯2 200 μf電容,在+Vout與-Vout端間并聯1 000 μf電容;并聯的0.1μf電容可有效濾除電路的高頻干擾信號。
電阻R1、電位器R7采樣電池電壓與LM385輸出的2.5 V基準電壓比較,分別接入LM2903比較器的-、+引腳,當電池電壓高于放電保護電壓時,電池狀態指示燈D2常亮,表示電池工作正常;當電池放電到電壓低于設定放電保護電壓時,D2滅,同時LM2903的7腳輸出高電平,驅動Q2接通,將V24B36C200BL模塊的PC引腳電平拉低到0.5V以下,進而使模塊關斷,輸出為0。PC引腳的這一功能可以進一步開發用于不發射X射線時,關斷燈絲驅動電路,以降低電池功耗。
V24B36C200BL模塊的輸出引腳SC和+Vout間接入電阻R3,構成升壓輸出電路,本電路中是將輸出電壓從額定輸出值36 V提高到39 V輸出,接入電阻阻值大小可通過Vicor公司網站上提供的專門計算工具很方便地計算出來。
系統中,+Vin、-Vin與模塊基板間接入R=1 Ω、C=4 700 pf的串聯網絡,+Vout、-Vout與模塊基板間接入R=1 MΩ、C=4 700 pf的串聯網絡。
本系統同時采用了一片Cosel公司的ZUW102415模塊,來產生+15 V、
-15 V電源。
3 系統在便攜式直流X射線源中的應用
應用該電源系統給便攜式直流X射線源供電,在120 kV/1 mA輸出情況下,測試了X射線發射、關斷過程中,電池電壓、電池電流、高壓驅動、高壓取樣波形;測試了X射線連續穩定輸出時的供電電壓、供電電流、高壓驅動波形;同時試驗了模塊輸入、輸出端所接入電容對降低X射線開關瞬間電壓與電流尖峰脈沖的影響。
試驗表明,模塊輸入端、輸出端并聯的大容量電解電容能顯著降低X射線源啟動過程電池電流波形的尖峰,對于X射線源啟動過程電壓波形的尖峰也有抑制作用,并聯電容的值在2 200 µf左右較為合適,片面增大電容量沒有必要,削波作用的提高作用有限,同時輸出端的過大容量電容有時會做成模塊工作不穩定。
X射線源軟啟動過程大約在100 ms,X射線源進入穩定發射狀態后,各波形幅值變化不大。電池的平均功耗在180 W左右。
4 結論
本文試驗研究表明,基于V24B36C200BL模塊構建的電池電源系統,可以靈活的設定輸出電壓的大小,為射線源高壓發生電路的設計提供方便;可以將寬變化范圍的電池電壓轉變成穩定的電壓輸出,有利于提高X射線源的穩定性;可以方便的控制電池的放電過程,設定合理的放電保護電壓,提高電池的使用壽命;同時通過充分發掘模塊的功能,對于降低工作過程中X射線源的功耗以及構建更大功率的電池供電系統具有一定的指導意義。
參考文獻
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電源模塊范文5
關鍵詞:電源管理 硬件充電 BQ24165
中圖分類號:TM912 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2012)10-0170-03
1、簡介
隨著科技的發展,手持設備被越來越廣泛的應用。手持設備的可攜帶性,方便用戶的使用,使眾多電子產品向手持上面發展,必然帶來鋰電池的充電和電量計量的問題。手機,平板,便攜式媒體播放器,Netbook和便攜式互聯網設備必然有一個電池的充電電路以及可以顯示當前電量的計量電路。當前大多的電源管理模塊是需要復雜的軟件調試,并且穩定性和效率不高,本文基于兩種高性能的BQ24165和BQ27510設計了電池充電和電量計量模塊,充電部分是硬件充電,無需軟件調試,應用起來更加方便簡單,穩定性和效率更好,所以對基于BQ24165和BQ27510進行研究和設計。
2、芯片簡介
本設計中充電電路芯片選用了TI的高性能的BQ24165,BQ24165是高度集成的單節鋰電池充電和系統電源供用的芯片。主要用于空間受限的便攜式應用,高容量電池管理設備。電源的供用允許雙輸入操作,USB端口或者電源輸入(即AC適配器或無線充電輸入)。此芯片還具有對充電的實時監控的功能,當系統負載需要輸入上限電流的時候,充電器芯片會實時的降低充電電流,并允許進行適當的充電終止的定時器操作。支持系統需求調節電池充電電壓,但是系統電壓不會低于3.5V。這個最小系統電壓支持,使得系統可以在電池電壓低和空缺電池的時候正常工作。其2.5A的輸出電流能力可以滿足大容量的電池快速充電。該電池充電分為三個階段:調節,恒定電流和恒定電壓。此芯片是硬件充電,可以通過壓降判斷USB線還是適配器。
本設計中用的電量計是TI出品的高性能BQ27510,其是單個鋰電池燃料計量的一個微處理器,該設備需要很少的系統微控制器的固件開發,通常于計量一個可嵌入式電池或者可拆卸電池。此芯片采用開路電壓和庫侖計量的方式,在電池未使用的時候可以使用開路電壓的方式去估算可充電鋰離子和鋰離子聚合物電池的可用電量。當基于OCV時可以通過查表的方式確定可用的電量,由于電池電量會有不同,因此必須把電池電量進行精確計量。當電池進行高速放電時,無法使用OCV計量,這時就需要用庫侖計量方法計量電池剩余電量。此芯片還支持測量電流,電壓和溫度的數據的功能。
3、典型應用硬件電路設計
4、BQ24165硬件電路設計
BQ24165在輸入電源的選擇上,可以選擇IN端口也可以選擇USB端口,這兩個端口是相互獨立的,只可以用到其中的一個電源輸入端口,本設計中選擇的輸入端口是IN端口,主要從兩個方面考慮,一是IN端口的過流能力強,二是從布局上面IN的PIN腳更加集中好布線。對于一個充電芯片,我們最關心的是其輸出電流的能力,輸出電流的能力越強,就說明此芯片的功能越強大,BQ24165最大的輸出能力是2.5A,這個充電能力對比普通的700mA充電改進了很多,這也是這個芯片功能強大之處。具體電流的選擇可以通過ISET管腳編輯,在本設計中選取了1.55A的最大輸出電流,相應的電阻是240Ω。這個充電電流的大小是要根據鋰電池容量和電芯等綜合因素考慮的,過大對電池壽命有影響,會使電池過快的固化,過慢的話不方便使用,綜合考慮選擇最佳的電流是很重要。電流上限的設置可以通過ILIM的電阻設置,但是這個大小只可以在1A到2.5A改變。由于適配器和USB充電的差異,傳統上面我們通常用軟件的方法判斷是適配器還是USB口,此芯片是純硬件充電,是用壓降的辦法判斷連接是適配器還是USB口,這是個很特別很好的改進,更加方便了調試。這個壓降范圍的選擇是本設計中的難點,壓降范圍過小會使芯片把適配器認為是USB接口,使充電電流太小,若壓降范圍過大會使USB默認為適配器,充電電流會很大,因為USB通常輸出電流不能超過500mA,所以若充電超過500mA會導致電腦死機。在最初調試時,選用了適配器和數據線分離的充電設備,由于適配器和數據線連接處的電阻過大,傳輸線上面的壓降很大,到芯片的電壓大概是4.2V到4.4V,根據這個數據應用公式
計算出R2選取200Ω即可(R1選330Ω),配置好后用適配器充電電流可以達到1.5A左右,但是由于壓降過大又帶來了新的問題,由于USB口和數據線的連接處的電阻也很大,所以芯片把USB口誤判斷是適配器,這時用USB口充電由于電流大于500mA,會導致電腦死機。根據連接處的電阻過大的問題,可以用一體式適配器解決,由于一體式充電器適配器和數據線不是分開的,所以一體式適配器的電阻很小,從而傳輸中的壓降會相對小,到芯片的電壓大概在4.6V到4.7V,計算出R57選取90Ω即可,在這種情況下芯片會把壓降在4.6V以上判斷是適配器用大電流充電,最大充電電流達到1.5A,USB口壓降到4.3V左右,在4.6V以下芯片可以判斷為USB口,這時的充電電流大概在400mA,到此這個壓降的問題得到很好的解決。
5、BQ27510硬件電路設計
BQ24165的始能端在設計中選取了BQ27510的輸出端口,只有在BQ27510正常工作下,BQ24165才能工作。這樣設計的目的是為了把充電芯片和電量計正好的聯系在一起,在充電進行前電量計會先工作起來,當電量計工作起來后,此管腳的是低電平,低電平時充電芯片工作,充電芯片的輸出端口BAT_G和電量計的檢測端口BAT連接在一起,這樣在充電的同時可以實時監控電池的電量,此時電量計應用庫侖的計量方法計量電池的電壓,具體原理是電量計可以通過電流感測SRN和SRP兩端的電阻進行庫侖計量測,并且把數據通過I2C傳出,完成電量的計量,而在不充電的時候,電量計也是通過管腳實時的測量電壓的值,再通過查表的方法顯示剩余電量。為了能更準確的測量電量還需要將電池進行計量,計量就是根據實際的電池的電量調整軟件,這樣可以更精確的顯示剩余電量,電量計對電池是否存在是通過BI管腳判斷的,其判斷的原理是根據電池有內阻,并且內阻大概在一定的范圍內,這樣通過BI管腳檢測到是否有內阻存在判斷電池是否存在。
關于指示燈的設計,指示燈可以用兩個雙MOS管設計,紅燈顯示充電,綠燈顯示充滿。
6、軟件設計
Linux的電源子系統主要包括兩部分:核心層和驅動層,其主要功能是從電源驅動獲取信息(包括電量,類型等),然后報告給應用層。
簡單地說,當電源狀態(如電量、電源類型)發生改變時,驅動層通過power_supply_changed函數通知核心層,核心層調用驅動提供的get_property函數獲取驅動所支持的屬性值,然后通過uevent機制把信息傳給用戶空間程序。至于如何使用這些信息,是用戶程序的任務。從驅動層來看,主要工作就是兩項:(1)當合適的時機調用power_supply_changed。合適的時機有兩類,對于電池類電源,一般需要周期性報告電量;對于可插拔電源,如適配器、USB需要由中斷觸發。(2)實現get_property函數。 這通常需要訪問硬件寄存器,獲取相應的屬性值,并轉化為核心層要求的度量單位。
驅動實現主要步驟包括:
(1)定義一個struct power_supply 結構體,并給其中的一些關鍵成員賦值。
struct power_supply {
const char *name;
enum power_supply_type type;
enum power_supply_property *properties;
size_t num_properties;
char **supplied_to;
size_t num_supplicants;
int(*get_property)(struct power_supply *psy,
enum power_supply_property psp,
union power_supply_propval *val);
int(*set_property)(struct power_supply *psy,
enum power_supply_property psp,
const union power_supply_propval *val);
int(*property_is_writeable)(struct power_supply *psy,
enum power_supply_property psp);
void(*external_power_changed)(struct power_supply *psy);
void (*set_charged)(struct power_supply *psy);
/* For APM emulation, think legacy userspace. */
int use_for_apm;
/* private */
struct device *dev;
struct work_struct changed_work;
};
其中斜體項是驅動必須實現的。最主要有type、
power_supply_property *properties 和get_property()。
Proerties 指針指向該power supply可以支持的屬性,例如BQ27510支持如下屬性。
static enum power_supply_property bq27x00_battery_props[] = {
POWER_SUPPLY_PROP_STATUS,//電源狀態charging,discharging
POWER_SUPPLY_PROP_PRESENT, //電源是否存在
POWER_SUPPLY_PROP_VOLTAGE_NOW, //瞬時電壓,μV
POWER_SUPPLY_PROP_CURRENT_NOW,//瞬時電流,μA
POWER_SUPPLY_PROP_CAPACITY,//剩余電量%
POWER_SUPPLY_PROP_CAPACITY_LEVEL,//電量等級
POWER_SUPPLY_PROP_TEMP,//溫度
POWER_SUPPLY_PROP_TIME_TO_EMPTY_NOW,//以當前的放電速度估算,剩余可用時間
POWER_SUPPLY_PROP_TIME_TO_EMPTY_AVG,//以歷史平均的放電速度估算,剩余可用時間
POWER_SUPPLY_PROP_TIME_TO_FULL_NOW,//以當前的充電速度,電池充滿剩余時間
POWER_SUPPLY_PROP_TECHNOLOGY,//電池類型,
POWER_SUPPLY_PROP_CHARGE_FULL,//電池充滿時的電量(單位μAh)
POWER_SUPPLY_PROP_CHARGE_NOW,//當前電量(單位?Ah)
POWER_SUPPLY_PROP_CHARGE_FULL_DESIGN,// 設計的充滿電量(單位μAh)
POWER_SUPPLY_PROP_CYCLE_COUNT,//所經歷的放電循環數
POWER_SUPPLY_PROP_ENERGY_NOW,//當前電量(單位μWh)
};
Get_property()函數提供獲取某個屬性的值的方法,這一般需要通過電源管理芯片的接口驅動(例如i2c驅動)從芯片讀取。具體發什么命令,來獲取這些屬性,可以參數數據手冊,這里不予詳述。
(2)調用int power_supply_register(struct device *parent, struct power_supply *psy)注冊這個power supply。
這個函數一般放在某個父設備的probe函數進行,對于掛載在i2c總線的設備,就在該設備的i2c驅動的probe函數調用,對于一些沒有明確掛載總線的設備,如USB插拔中斷的產生設備可能是完全硬件行為,可以把父設備定義為platform設備,在它的驅動probe中注冊power supply。
(3)對于battery,為了能周期性給用戶上報電量,一般需要定義一個delayed work,如在bq27x00.c中:INIT_DELAYED_WORK(&di->work,bq27x00_battery_poll) 定義delayed work; 在work bq27x00_battery_poll中從硬件更新電量到內存緩沖區,然后調用power_supply_changed()觸發core層更新屬性,最后用schedule_delayed_work再次延遲調度這個work對于USB,Mains類的charger電源,通常只需上報POWER_SUPPLY_PROP_ONLI
NE屬性,故在中斷處理函數/線程調用power_supply_changed()即可。
7、結語
本設計是一種新型的電源管理模塊,介紹了硬件電路設計和軟件的調試,給出了典型電路的設計方案,此模塊更易調試,更穩定,成本更低,在現實測試發現此設計具有充電快速,電量顯示準確,發熱量低等特點,相信在以后的終端設備上面會有廣泛的應用。
參考文獻
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電源模塊范文6
[關鍵詞]數控機床 電源模塊 驅動模塊 故障,診斷
中圖分類號:TM 文獻標識碼:A 文章編號:1009-914X(2014)46-0038-01
0 前言
西門子SIMODRIVE 611 系列驅動系統是一種高性能驅動系統,能滿足數控機床對驅動系統的穩定性和技術性能方面等要求,包括最高要求的動態響應,速度整定范圍以及平滑運行特性,通常用于西門子802D、840D、810D以及海德漢等數控系統中,實現機床的驅動功能。611D電源模塊主要功能是提供直流母線電壓、電子電源、使能信號以及故障監控功能。驅動模塊一般由功率模塊和控制模塊以及驅動總線組成,實現伺服對位置、速度和電流三個閉環控制。
1 電源模塊
西門子SIMODRIVE 611D系列電源模塊,通常也稱為饋電模塊,主要為數控單元和進給驅動裝置提供控制和驅動用的電源,即產生直流母線電壓和電子電源,同時監測電源和模塊的狀態,通常直流母線電壓根據饋電模塊的類型,電源模塊分為不可控電源模塊稱為UI電源模塊,可控電源模塊稱為I/R電源模塊。可控饋電模塊直流母線電壓穩定在600VDC,而不可控饋電模塊的直流母線電壓在490―644VDC范圍內波動,電子電源主要有+15VDC,-15VDC,24VDC和5VDC,由DEVICE BUS設備總路線輸出,供數控單元和驅動模塊內部工作使用。
1.1 不可控饋電模塊
不可控電源模塊采用不可控的功率二極管來實現整流功能,把外部三相380V交流供電電源整流為直流電源,通常直流電壓的經驗為UDC=1.35UAC。UI不可控饋電模塊的直流母線電壓不可調節,適用于低壓應用場合,通常有5KW,10KW以及28KW等級。在UI型饋電模塊中,因為采用功率二極管進行整流,所以當電機制動或減速時,直流母線上產生的制動能量不能回饋到電網,這種制動能量可以存儲在直流母線上的大電容里。
1.2 可控饋電模塊
可控饋電模塊最大的特點是直流母線電壓可調節,直流母線上的制動能量可以反饋到供電電網實現再生。它的整流部分采用IGBT功率晶體管實現整流。
1.3 電源模塊常見故障分析
1.3.1 5V,5V故障燈亮
公司中捷FK125數控機床,采用西門子611驅動,電源模塊上的15V,5V紅色指示燈亮,說明這兩種電源電壓出現故障,故障原因有兩個方面:電源模塊本身電子電源轉換電路有問題;所聯接的外部負載出現問題。首先關斷電源,DC-Link電壓降到安全范圍,斷開X151(軸模塊上),斷開端子X121、X141、X161、X171,上電,這時候故障消失,說明電源模塊本身沒有問題,可能在端子接口中有短路情況存在。然后將端子依次加上去,發現是X151扁平電纜的問題。當加到W軸模塊時出現兩紅色指示燈亮起,說明驅動模塊有問題,將模塊的控制板取出來,更新,這時故障排除。
1.3.2 外部供電電源故障燈亮
公司043-017號昆明道斯數控加工中心,出現電源模塊上6個指示燈中左邊最下面紅色指示燈亮,說明外部電源有故障。首先要確定故障出現在上電時(Power up)還是在使能時(Enable)。如果在上電時,檢查端子U1、V1、W1或X181是否缺相,并檢查一下供電電壓是否正常。如機床是在使能時出現紅色指示燈亮,則有可能是功率模塊的故障,或者電源模塊本身故障。斷開電源,等到DC-Link電壓降到安全范圍,從電源模塊處斷開直流母排的連接端,這樣就將所有的驅動模塊從直流母線上脫開。然后上電檢查電源模塊。故障依舊,說明驅動模塊沒有問題,故障應該出現在電源模塊,更換電源模塊后故障排除。
2 驅動模塊
611D數字控制模塊用于控制1FT6/1FK7/1FN1/1FE1和1PH電機的運行,611D結構有單軸模塊和雙軸模塊兩種。驅動模塊分為功率單元和數字閉環控制單元,通過設備總線與驅動總線連接到系統。由于611D數字控制單元結SINUMERIK840C或SINUMERIK840D才能發揮其作用,所以611D 的控制參數要通過840C或840D數控系統設定。
2.1 驅動模塊連接
驅動模塊上的脈沖使能觸點T663/9是一個輸入信號,當T663/9觸點閉合時,驅動模塊各進給軸控制回路開始工作,控制信號對該模塊上的所有軸都有效?!懊}沖使能”信號由PLC控制,有條件地使能各個驅動模塊,如果直接短接,則系統一旦上電,驅動模塊的控制立即進入工作狀態。
2.2 功率單元的檢測方法
如果功率模塊發生故障,那么集成在內部的半導體器件(IGBT)就會有反應,可以通過電阻測試很容易地檢測出來。從圖04可以看出驅動模塊中功率單元的工作原理,功率單元實現電源逆變主要靠6個IGBT晶體管的導通/關斷動作以及續流二極管的導通.關閉驅動的電源,等直流母線放電結束,斷開電機的連接端子(U2、V2、W2)。直流母線M600、P600上把模塊與其他相鄰的模塊斷開。用萬用表的正極測試M600端,負極測試P600端,如圖05所示。萬用表顯示的兩個二極管的壓降值大約在0.7V ,如果顯示的壓降值在0V或者大于2.2V,則說明模塊有故障。
2.3 進驅動模塊常見故障分析
2.3.1 功率模塊故障
公司FK110數控機床,在加工的過程中出現“25201”軸X伺服故障報警。產生故障的原因有多方面的,如伺服電機、電纜出現問題;機械傳動部分阻力過大;功率模塊內部故障等等。首先重啟機床,上電完成后沒有出現報警,說明模塊通過了自檢,如有報警基本上可以肯定是驅動模塊損壞。第二步,加上驅動模塊的使能后,如果馬上產生報警,原因主要是伺服電機、動力電纜短路或接地,說明功率模塊本身有問題。第三步,選擇JOG模式,進給倍率選擇在低速區,正、負方向移動一下就出現25201號報警,通過軸驅動參數1708號查看負荷率,負荷率在移動瞬間只有40%多,說明機械傳動部分正常。
2.3.2 散熱器溫度報警
公司奧地利EMCO數控車床出現300515號報警,功率單元最大溫度超出,這是功率模塊最常見報警之一。原因有兩方面,機械傳動阻力過大,造成電流值過大,功率單元的散熱器溫度過高;還有就是功率模塊散熱風扇壞。其監控機制如圖06所示。在實際的維修工作中,特別夏季出現頻繁,絕大多數是因為散熱風扇不工作造成的報警,通過更換風扇故障排除。
結束語
在對模塊故障診斷前,必須熟知各模塊接口的定義,掌握模塊好壞的檢測方法。特別是對于驅動模塊,同一個報警代碼可能產生故障的原因有很多種,如出現25201伺服故障報警時,有可能是功率模塊本身有故障,也有可能是電纜線,伺服電機損壞,也有可能是機械傳動部分出問題,也有可能是測量系統有故障造成的,等等。要根據其它的報警提示,結合模塊監控參數,觀察模塊的指示燈狀態,聽傳動部位聲音等手段來綜合診斷故障點。