交流接触器节能芯片的研发与应用

【摘要】：交流接触器是现代工业生产中常见的一种电器设备,是一种量大面广的强电开关,其工作原理是利用线圈流过交流电产生磁场,电磁吸力使接触器的触头闭合,从而使得大电流负载(如马达电机等)得以通电工作。根据交流接触器的工作原理,当交流接触器处于吸持的状态时,交流电流通过接触器的线圈会消耗大概几十瓦特的能耗。由于我国投入运行的大、中型容量的交流接触器数量巨大,因此累计起来年耗电量惊人 这类接触器的节能技术之一是使接触器在直流方式下运行,这样不仅节省电能,还能显著降低噪声和温升,而且能够延长交流接触器的寿命。交流接触器的节能技术具有非常大的经济效益和社会效益。目前市场上已经存在的交流接触器节能运行方案很多,但是由于存在的种种问题没有得到很好解决,导致节能技术的推广面小,普及率不高。 本论文在对全国各地的交流接触器厂商和用户需求的调查基础上,设计了一款采用自转换改变占空比的方案实现交流接触器节能的专用集成电路芯片ZDLX(浙大绿芯)。此方案具有芯片体积小,成本低,节电效果好,安装方便,并且不需要占用接触器辅助触头,可以轻易地对已有传统交流接触器进行改造的优点。同时该专用芯片能够克服单片机遇到的程序运行易受强电磁环境干扰发生飞跳的缺陷,使其具有实际的应用推广价值。 本课题设计的交流接触器节能专用芯片ZDLX的优势在于： 1.符合GB8871—2001交流接触器节电器国家标准 2.与单片机相比,成本低,并且不会发生因受环境干扰而导致内部程序执行错误。 3.应用电路简单,体积小,可直接装入交流接触器中,方便对已有的传统交流接触器进行改造。 4.节电效果好,可将交流接触器的功耗降至原功耗的5%～15%(节电85%-95%)。 5.本身低功耗。芯片静态工作电流为400uA左右,芯片的静态功耗仅为2mW。 6.高可靠。芯片能在环境温度-25℃到85℃变化范围内保持正常工作。 此交流接触器节能专用芯片ZDLX采用无锡上华0.5umn混合信号CMOS标准工艺流片制造,测试结果显示达到了设计所要求的功能和性能指标。同时本课题还完成了ZDLX外围应用电路的设计,配合交流接触器进行整机测试,通过了相应国家标准的各项指标。 【关键词】：交流接触器 节能 专用集成电路 国家标准
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM572.2
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-8
• 缩略词表8-9
• 目次9-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 课题背景及意义11-13
• 1.2 交流接触器节能器的发展历程及现状13-14
• 1.3 交流接触器节能器的基本原理14
• 1.4 交流接触器节能器的分类14-18
• 1.5 交流接触器节能器的相关国家标准分析18-20
• 1.6 交流接触器节能芯片的市场现状20-21
• 2 芯片的系统设计21-29
• 2.1 ZDLX节能专用芯片的基本原理与性能指标21-22
• 2.2 ZDLX节能专用芯片的管脚定义22-24
• 2.3 ZDLX节能专用芯片的系统结构及信号处理流程24-26
• 2.4 ZDLX节能专用芯片的应用电路设计以及应用实例26-29
• 3 芯片模拟电路部分的设计29-51
• 3.1 带隙基准源电路的设计29-35
• 3.1.1 带隙基准源电路的原理29-31
• 3.1.2 带隙基准源电路的电路设计31-33
• 3.1.3 带隙基准源电路的仿真结果33-35
• 3.2 电压偏置电路的设计35-38
• 3.2.1 电压偏置电路的原理35-37
• 3.2.2 电压偏置电路的仿真结果37-38
• 3.3 偏置电流产生电路的设计38-41
• 3.3.1 偏置电流产生电路的原理及电路图39-40
• 3.3.2 精确电流产生电路的仿真结果40-41
• 3.4 电压缓冲器电路的设计41-45
• 3.4.1 电压缓冲器电路的原理及电路图42-43
• 3.4.2 电压缓冲器电路的仿真结果43-45
• 3.5 振荡器电路的设计45-48
• 3.5.1 振荡器电路的原理及电路图45-48
• 3.5.2 振荡器电路的仿真结果48
• 3.6 上电复位电路的设计48-51
• 3.6.1 上电复位电路的原理及电路图49
• 3.6.2 上电复位电路的仿真结果49-51
• 4 芯片数字电路部分的设计51-63
• 4.1 芯片数字电路部分基本模块的介绍51-52
• 4.2 D触发器电路52-54
• 4.3 分频器电路54-56
• 4.4 脉冲宽度调整电路56-58
• 4.5 精确延时电路58-59
• 4.6 信号选择电路59-60
• 4.7 输出驱动电路60-61
• 4.8 数字电路的总体实现61-63
• 5 节能芯片的实现与测试63-81
• 5.1 节能芯片的版图实现63-68
• 5.1.1 上华0.5um数模混合CMOS工艺介绍63-67
• 5.1.2 节能芯片的整体版图设计67-68
• 5.2 节能芯片的测试68-73
• 5.2.1 节能芯片的测试方案68-69
• 5.2.2 节能芯片的测试结果69-73
• 5.3 交流接触器节能器整机的测试73-78
• 5.3.1 节电率测试74-75
• 5.3.2 电磁兼容测试75-77
• 5.3.3 噪音测试77
• 5.3.4 寿命测试77-78
• 5.4 芯片的应用78-81
• 6 回顾及展望81-83
• 参考文献83-87
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果87

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