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acdc电源基础知识(3)-开关方式

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2020-07-28

开关方式是用作acdc转换电源模块最常用方法之一,使用开关元件的acdc转换原理图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品。接着通过开关元件on/off斩波切分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

 开关型acdc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dcdc相同。此进一步细分采用开关dcdc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dcdc时,就只是单纯将dc转换成dc而已。

 

整流-平滑后以开关dcdc转换原理先说明整流ac后再转换成dc的原理,并在之后约略解说一下采用开关方式转换dcdc的原理。

 

上图是利用代表性的控制方式pwmpulse 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onoff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off25:75ac。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%25vdc

 

事实上dcdc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:

acdc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acdc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acdc电源模块日渐增加。

 

开关方式acdc电源模块使用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。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,但当输出功率不太时,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。最近除了正确、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acdc转换用ic。特别是在电路基板上安装acdc电源模块时,设计电路上以acdc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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