廣州郵科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有限公司
廣州郵科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有限公司
暫無信息 |
閱讀：13發(fā)布時間：2024-9-25
配備 IC 和微型計算機的電子設(shè)備需要電壓波動很小的穩(wěn)定直流電流。有兩種類型的穩(wěn)壓電源：線性和開關(guān)。開關(guān)電源突破了傳統(tǒng)線性電源的局限，實現(xiàn)了突破性的小型化、輕量化和高效率。開關(guān)電源體現(xiàn)了電源解決方案的關(guān)鍵技術(shù)。
為什么基于線性方法的交流適配器又重又笨重
將商用交流電轉(zhuǎn)換為直流電的交流適配器是學(xué)習(xí)電源背后基本技術(shù)的一個很好的例子。過去，AC 適配器通常是笨重的大件物品，但如今它們更輕、更小，例如手機充電器。這是因為自 2000 年代初以來，切換方法已成為主流，取代了傳統(tǒng)的線性方法。
下面討論線性方法和開關(guān)方法之間的區(qū)別，但首先，讓我們看一個簡單的傳統(tǒng)交流適配器——一種沒有穩(wěn)壓電路的簡單線性電源。這種AC適配器電路簡單，成本低，用于座機無繩電話、臺式電腦揚聲器、電動工具等。雖然從外觀上很難分辨，但它的重量和體積大部分歸因于內(nèi)部的電源變壓器，由繞在實心鐵芯上的線圈組成。電源變壓器將 100V 交流電壓轉(zhuǎn)換為較低的交流電壓。隨后，使用二極管對交流電流進行整流——這些元件使電流在一個方向上通過，但在相反方向上阻止它。
即使經(jīng)過整流，電流仍然是脈動的，遠非干凈的直流電流，因此它被基于電容器的平滑電路進一步拉平。電容器存儲電荷，這是電容器的基本特性。下圖所示的整流電路是使用二極管橋式配置（全波整流方式）的示例。即使交流電流反轉(zhuǎn)其方向，流向電容器的電流始終是相同方向的，從而為電容器充電。在脈動電流中，電流和電壓都以周期性的方式大幅波動，電容器相應(yīng)地釋放其儲存的能量以抑制這些波動。平滑電路需要大容量電容器；因此，通常使用鋁電解電容器。此外，
穩(wěn)定的直流電源對數(shù)字電子設(shè)備至關(guān)重要
AC-DC 電源（如 AC 適配器）的功能是從商用 AC 電源獲取 DC。但是，DC的質(zhì)量差別很大。在一個簡單的交流適配器中，即使在脈動電流被平滑之后，波形中仍然存在紋波。商用交流輸入的電壓波動也會使直流輸出的電壓不穩(wěn)定。這些缺陷對于電池充電等任務(wù)來說可能不是問題，但可能導(dǎo)致低壓 IC 出現(xiàn)故障，從而需要更均勻和穩(wěn)定的直流電流。為此目的配備穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）的電源稱為穩(wěn)壓電源。
穩(wěn)壓電源根據(jù)使用的方法大致分為線性電源和開關(guān)電源。自真空管時代以來，線性電源就一直在使用。原理很簡單：通過在電路中加入一個可變電阻來調(diào)整輸出電壓。齊納二極管和三端 IC（也稱為三端穩(wěn)壓器）是用作可變電阻器的組件的示例。
齊納二極管也稱為恒壓二極管。常規(guī)二極管通過允許電流沿一個方向而不是相反方向流動而用作整流元件。但是，如果反向施加電壓并不斷增加，最終將達到閾值，二極管突然開始通過電流。齊納二極管利用這種現(xiàn)象允許電流僅在一定電壓以上流動。因此，它可用于保持恒定的輸出電壓。
三端IC是檢測由齊納二極管設(shè)定的電壓（稱為基準(zhǔn)電壓）與實際輸出電壓之間的差異，并通過晶體管放大和校正來穩(wěn)定電壓的組件。它被稱為“三端 IC”，因為整個電路構(gòu)建在一個芯片上，具有三個端子：IN、OUT 和 GND（接地）。由于其體積小且易于使用，它們已被廣泛用于電子設(shè)備中。它們確實會產(chǎn)生大量熱量，需要使用散熱器進行散熱，因此不適合功率要求較大的電源。然而，由于電路簡單、噪聲低，它們經(jīng)常用于測量儀器、醫(yī)療設(shè)備和音頻設(shè)備。
開關(guān)電源推動了小型化、輕量化和高效率
我們終于得到了開關(guān)電源的解釋。我們身邊見的一種開關(guān)電源就是手機的AC適配器。雖然它的電路比前面提到的初級交流適配器復(fù)雜得多，但由于穩(wěn)定電路中使用了 IC，它非常緊湊。它沒有一個又大又重的電源變壓器這一事實解釋了它的小尺寸和重量。
開關(guān)電源體現(xiàn)了許多技術(shù)，這些技術(shù)在歷一直是電力電子的核心。從 1960 年左右開始，半導(dǎo)體（二極管、晶體管等）開始取代真空管，但尺寸和效率的改進進展緩慢。這是線性電源固有的，因為散熱片是為晶體管散熱所必需的，而且變壓器又重又笨重。
開關(guān)電源采用了不同的方法來克服線性電源的缺點。（他們的發(fā)展受到美國宇航局的阿波羅計劃的推動。）這兩種方法的主要區(qū)別在于線性電源使用變壓器轉(zhuǎn)換商用交流電的電壓并隨后對其進行整流。開關(guān)電源先將交流電整流為直流電，然后再轉(zhuǎn)換電壓。一旦電流被整流，電壓就不能再用變壓器進行轉(zhuǎn)換。相反，半導(dǎo)體（晶體管和 MOS FET）驅(qū)動高速開關(guān)動作，將整流后的電流轉(zhuǎn)換為脈沖波，然后將其饋送到轉(zhuǎn)換電壓的高頻變壓器。這使電路復(fù)雜化并且需要更多的元件，但這正是開關(guān)電源的精髓所在。
開關(guān)電源有幾種控制方法，但見的是 PWM（脈沖寬度調(diào)制）方法。調(diào)整脈沖的寬度（電流打開和關(guān)閉的時間），以使每個脈沖的“面積”（如圖所示）歸一化，以穩(wěn)定電壓。在效率方面，這種方式遠優(yōu)于線性電源，線性電源在穩(wěn)壓過程中不斷將部分功率作為熱量丟棄。開關(guān)電源非常高效，因為它形成的輸出功率就像是在剪切和粘貼波形一樣，浪費的電能非常少。
變壓器的大小與其設(shè)計處理的頻率成反比。商用交流電的頻率低50或60Hz，所以線性電源中的變壓器必然又大又重。另一方面，開關(guān)電源的脈沖波頻率非常高——幾十到幾百千赫——一個更小更輕的變壓器就足夠了。然而，在高頻下，由于功率損耗過大，帶有鐵芯的變壓器變得不切實際。這就是鐵氧體磁芯變得的地方。例如，電源效率僅提高 1%，就可以對整個社會產(chǎn)生巨大的節(jié)能效果。這就是為什么在電力電子領(lǐng)域?qū)?TDK 的鐵氧體技術(shù)寄予厚望的原因。也就是說，開關(guān)電源也有其弱點：主要是由于高速開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。傳統(tǒng)上，電源長期以來一直代表著與熱量的斗爭，而噪音是一個額外的挑戰(zhàn)。這是 TDK 技術(shù)發(fā)揮作用的另一個領(lǐng)域。
百分零部件網(wǎng) 設(shè)計制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼