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  • AC/DC电源基础知识详解(3)-开关方式
    • 发布时间:2020-12-24 18:05:30
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    AC/DC电源基础知识详解(3)-开关方式
    开关方式是用作AC/DC转换电源模块的最常用方法之一,使用开关元件的AC/DC转换原理图如下图所示:开关方式为一开始先用桥式二极器,整流100VAC,桥式二极管必须能够承受高电压。100VAC的峰值约140V左右,再以电容器使其平滑,同样使用高电压产品。接着通过开关元件ON/OFF斩波(切分)高DC电压,并经由高频变压器,将电能传送至二次侧。此时的ON/OFF频率,也就是开关频率,使用比输入AC频率50/60Hz高出许多的数十kHz,然后再转换成呈现如图中的方波AC。
    AC/DC电源
    利用二次侧的整流二极管,整流该高频率AC电压,接着以电容器使其平滑后,再转换成设定的DC输出电压。图片中省略了高频率AC电压的整流波形,但它是使用1个二极管的半波整流。转换成需要的DC电压时,必须设定如上图中的开关元件控制电路。切分高DC电压转换成AC,之后再通过整流-平滑,转换成低DC电压的方法,和一般采用开关方式转换DC/DC相同。此进一步细分采用开关DC/DC转换的过程,就是先从DC开关成AC后,再开关至DC。另外使用3引脚的线性稳压器转换DC/DC时,就只是单纯将DC转换成DC而已。
    整流-平滑后以开关DC/DC转换原理,先说明整流AC后再转换成DC的原理,并在之后粗略解说一下采用开关方式转换DC/DC的原理。
    AC/DC电源
    上图是利用代表性的控制方式PWM(Pulse Width Modulation:脉冲宽度调制)方式加以降压的原理。PWM是指让周期(频率)保持恒定,调整ON和OFF的时间比,也就是占空比来进行控制的方法,能运用在开关电源、电源模块等多种应用上。采用PWM时,经由开关将DC电压转换成达到必要占空比的AC后,接着再进行整流回到DC,以取得想要的DC电压。例如经由开关将100VDC转换成周期25%ON、剩下OFF的25:75的AC。接着,整流-平滑该AC,也即将其均匀化后转换成DC,电压就会转换成相当于25%的25VDC。
    事实上DC/DC转换属于功率转换,必须提升转换效率,虽然不必如图片般配置,但仍须遵照其原理。此外,负载电流如果增加,电压就会下降,反之,必须增加控制电路的脉冲宽度,并将电压返回到设定值,进行反馈控制,因此脉冲宽度无法保持恒定。
    总结:
    AC/DC转换是直接将输入的AC电压整流-平滑后,转换成DC,再将该DC转换成高频率的AC,接着重复整流-平滑步骤,转换成想要的DC电压。和前述的变压器方式相比,必须重复AC/DC转换2次,让人觉得非常复杂。但优点大于缺点,所以近年来采用开关方式的AC/DC电源模块日渐增加。
    AC/DC电源
    开关方式AC/DC电源模块使用元件和安装例子如上图所示:将输出电压反馈至PWM控制电路上,借此稳定控制。元件和上一篇所讲的变压器方式相似,但桥式二极管、一次侧的电解电容器、开关元件(晶体管),全部采用可支持高电压的产品。必须以数十kHz的高频率才能工作的变压器,我们称为高频变压器或开关式变压器,开关式变压器的铁芯一般都是使用铁氧体。开关元件基本上使用晶体管,有功率晶体管或开关晶体管等多种名称,但则以开关电源、电源模块用的高功率MOSFET最为普遍。开关晶体管必须配合输出功率选择适合的规格,但当输出功率不大时,就能够使用内置开关晶体管的控制IC,减少部件数量。
    至于稳定输出电压的控制电路,可以使用晶体管和运算放大器等单独的元件组成电路。除了正确、稳定控制外,也开始提供各种保护功能,因此愈来愈多电源模块采用AC/DC转换用IC。特别是在电路基板上安装AC/DC电源模块时,设计电路上以AC/DC转换器用IC为中心会较为实际。另外该电路的控制IC是安装在基板背面下方正中央旁边,虽然SOP8是非常小的封装,但除了控制功能外,还具备了多种保护功能。
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