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电源电路(2)

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在上一篇文章(链接:http://mc.dfrobot.com.cn/thread-299417-1-1.html )中我讲解了交流变直流电路以及线性稳压器的原理及优缺点,现在我来回顾一下:
常见的220V50Hz交流市电经过变压、整流、滤波电路之后,可以输出纹波较大的直流电压:
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然而这种方式并不能适应变化的负载,接上不同的负载后输出电压会变化,不能很好的提供稳定的直流电压。
未标题-1.jpg
所以我介绍了一种线性稳压器,它可以输出平稳的直流电以及适应变化的负载:
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但是它的缺点就是过大的调整管损耗,因此线性稳压器并不太适合大电流,大功率的输出。那么这篇文章我将会讲解一个更为高效的,损耗更小的电源--开关电源

PWM(pulse-width modulation)

在解释什么是开关稳压电源之前,我先要解释一些什么是PWM。PWM称为脉冲宽度调制,是一种常用的控制方法。通过周期性改变方波的占空比以及频率,可以等效的获得各种我们需要的波形。下面通过一个简单的例子来说明PWM的作用。
假如我有一个直流供电的台灯(输入电压和亮度成正比线性关系),我现在想控制他的亮度,请问我该怎么办?如果你有着基础的电子知识,你肯定知道滑动变阻器,这是一种可以连续改变其自身电阻值的东西。那么很简单的,将滑动变阻器串联到整个电路中,通过调节滑动变阻器的阻值,就可以调节亮度了。
2345截图20191108235341.png
那么现在有个问题,如果我想设置灯的亮度为最大亮度的一半,那么假设输入给灯的电压与亮度成正比线性关系,那么我需要给电源电压一半的电压给灯。同样的,这时候滑动变阻器上承受的电压也为电源电压的一半。那么我们可以得知,此时在电源输出的总功率中,有一半的功率全部会损耗在滑动变阻器上:
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那么这个电路的效率就很低了,一半的功率全部用在了滑动变阻器发热上,并不经济,这也就是为什么我们要使用PWM的原因。
要想提高这个电路的效率,也就是要减少无用功率的损耗,尽量让全部的功率全部用于发光上。这时候我在原来的电路上去掉滑动变阻器,而是用一个开关代替:
2345截图20191109000150.png
当我闭合开关的时候,电灯就会亮,断开的时候,电灯就会灭。我以正常的速度不断的开关这个开关,电灯会不断的亮灭亮灭。。。
如果我可以高速的控制这个开关不断的在闭合断开之间切换,这个电灯就不再会是不断的亮灭亮灭了,他会一直亮着。这是因为人眼存在视觉暂留现象,对于每秒帧数高于24的视频来说,我们不会察觉出来其实它是由一幅幅图片连起来构成的。而如果我将开关的速度提高到千赫兹级,那么此时灯会高速的亮灭交替,而我看起来感觉灯一直亮着。
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如果开关打开的时间和开关闭合的时间相同的话,我就会察觉到灯的亮度下降了一半,因为在单位时间内,有一半的时间灯是熄灭的。而如果我提高开关闭合的时间,减少开关断开的时间,保持频率仍然不变的话,我就会察觉到灯泡的亮度变亮了。
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可以看到,此时灯泡的亮度是由开关闭合和断开的时间决定的。而在这个电路中,只有灯泡一个用电器,所以如果假设这个开关是理想开关,以及忽略所有导线电阻以及电池内阻等等,那么这个电路的效率将会是100%。不过在现实中会因为导线有电阻以及开关损耗等等,会降低一些效率,但是相比最开始我使用的滑动变阻器来调节亮度,可以说是效率高了很多。
那么这里我使用的高速开关控制的方法就是属于PWM控制的范畴,通过改变开关闭合以及断开时间之比可以改变亮度。所以这里我要引出一个概念:占空比
微信图片_20190728134646.jpg
占空比描述的是开关信号开启的时间占整个周期的比值,那么可以想象,当占空比越大的时候,代表开关信号开启时间越长,对应到刚才台灯的例子就是台灯越亮了:
未标题-2.jpg
那么有了PWM以及占空比的概念,去读懂开关电源的电路就十分简单了。
降压型转换器(buck converter)
降压型转换器是开关电源电路的一种,它常用在直流降压电路中,这个电源内部有一个开关。可能你要问:电源里面有开关有什么稀奇的,用来控制电源是否工作嘛~~这里的开关可不是用来控制电源是否工作的,这里的开关说的是电子开关,他的用处是用来改变输出电压。
关于这个电子开关,我们一般使用场效应管(MOSFET)来代替,由于场效应管有着导通电阻低,速度快的优势,所以常常被用于开关电源中。下面我给上转换器的电路图:
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好的现在可以看到大致结构了,我们以下分为两种情况讨论它的原理:
当开关闭合时:
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此时电流从整流桥通过电感到负载电阻上,那么此时电感上的电压就是左侧为正,右侧为负。二极管处于反向截止状态,在这个过程中,电感逐渐被充能。
当开关断开时:
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由于电感上的电流不能突变,因此当开关断开的一瞬间,电感上电流不会立刻突变,它会继续维持当前电流方向以及大小。此时电感可以被看作电源,对外输出能量,因此电感上的电压左负右正,二极管正向导通,形成回路,继续给负载输出能量。
那么电感将不断在充能以及输出能量之间转换,开关开启的时候电感被充能,开关关闭的时候电感对外释放能量:
2345截图20191113010142.png
那么如果我们让每个周期内开关开启时间更长,并且保持周期不变的情况下,输入的电压将会被更多的加载到负载上,也就导致了输出电压的升高。
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所以通过控制开关开启和断开的时间,输出电压就可以被调节了。这里这个电路只是简单的原理示范,并不能实际应用中。下面我给出降压转换器的拓扑图。
Block-diagram-of-the-proposed-four-Switch-Positive-Buck-Boost-converter_看图王.jpg
那么可以看到,电池输入的电压进入到转换器中,然后输出到负载中,然后通过采集负载端的电压,将其输入到PWM控制电路中来调整PWM的占空比,从而稳定输出电压。


降压型转换器实际应用(Application of buck converter)
那么对于一个降压型转换器电路,搭建它需要用到很多元件以及需要一个PWM发生器,实际制作起来复杂并且费时间。于是人们吧这些电路全部集成到一个小小的IC芯片中。下面是一款BUCK 转换器的内部结构图
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其最小外围电路如下:
2345截图20191112025025.png
在实际使用中,由于使用的开关管工作在饱和区以及截止区,或者使用功率MOS管工作在开关状态,所以这些器件的功率损耗非常小,在调节输出电压上损耗大大降低。而其他器件例如电感以及电容,它们属于储能器件,并不会消耗有功功率,因此输入的全部功率基本上都可以被加载到负载上,大大提升了工作效率。常见的降压转换器IC,例如我上图展示的这款,效率在74%左右,还有效率更加高的降压转换器IC,效率甚至可以达到90%以上。


交流开关稳压电源的应用
降压转换器是使用占空比来调节输出电压值,并且常用于直流降压。那么在实际使用中,我们需要的是将交流电转换成直流电,这里我就来说说交流开关稳压电源的基本电路吧。其实现在开关电源是生活中比较常见的电源电路了,许多设备都会使用到,例如我们每天都要使用的手机充电器,笔记本电源适配器,ipad适配器等等。。。这些电源设备中用到的全都是开关电源电路,为了更好的理解其工作原理,我给出一张开关电源的结构图
SMPS1.png
从左往右依次看这个图,电源输入是正弦交流电。首先输入的交流电经过整流滤波电路后,得到了纹波较小,但是有着高电压的直流电,然后接下来就是高频调制电路了。将高电压的直流电通过一个高频率的开关后,我们就得到了一个高频率的交流电信号了,然后通过一个变压器来改变电压值,这样原来电压很高的高频交流电幅值被大大减少,最后我们再次使用整流滤波电路去平滑输出,得到较为稳定的直流电。当输出电压变化的时候,输出的电压又会被采样电路送回到PWM控制器,用来控制PWM的占空比来改变高频开关的开启以及关闭时间,从而稳定输出电压。整个电路的核心实际上就在开关电路上,通过改变开关的占空比,从而即可改变输出电压的大小。
如果实际的搭建这个电路的话,下面这幅图可能展示的比较清楚
2345截图20191112223606.png
这里我还想提及一下为什么我们需要一个高频PWM信号去控制高频开关,出于两方面的考虑:
  • 输出纹波:假设占空比不变情况下,每个周期内低频开关关闭的时间将会较高频开关更长,那么势必要增加电感,电容的大小去存储更多的能量以便在更长的时间内去维持输出电压的稳定,这样不仅带来成本的上升,也带来了体积的增加。
  • 使用高频可以最大限度减少变压器的大小。回顾一下使用线性稳压的电路中,变压器的位置:

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可以看到在线性稳压电路中,变压器先被用于变压,而在此时变压器的工作频率将会和输入交流电压相同,也就是50HZ。而此时使用在开关电源中的变压器工作在高频下。
所以我们根据法拉第电磁感应定律推导得来的公式E=4.4NΦF得出,在E不变的情况下,频率(F)越高,匝数(N)与磁通量(Φ)的积就越小,因此,工作在高频下的变压器,就会有着更少的线圈匝数以及更小的体积。所以一般情况下,功率相同的变压器,低频变压器体积会有高频变压器的十倍之多。
那么我们是否可以无限的提高频率呢?答案是否定的,因为即使高频开关管的导通损耗很低,但是其导通以及关断过程不是瞬间完成的,所以开关管本身的特性会抑制频率的提高。


交流开关稳压电源和线性稳压电源的比较
接下来我再提及一下两种电源技术的区别。线性稳压电源需要将交流电先经过变压整流电路后,再送入到线性稳压电路中,通过工作在线性区的调整管来动态的控制输出的电压。而开关电源是通过高频的开关的占空比来调整输出电压。两种电源原理不同,各有千秋。
下面我先来说说线性稳压器。这种技术实际上是一种比较传统的稳压技术,可以提供非常优秀的,纯净的电源输出,适合对电源有着高要求的设备,例如微型处理器,数模转换器,射频电路等等,并且体积较为小巧,电路较为简单,并且得益与低压差线性稳压器(LDO)的发展,线性稳压在电路中也得到了广泛使用。但是缺点是效率不高,输出功率较低。而且如果使用在线性稳压电源中会用到体积较大的变压器,显得比较笨重。
交流开关稳压电源和线性电源相比呢,会有着更高的输出功率以及更高的效率。并且由于工作频率高,变压器的体积有所减少,可以使用在对体积有着更严格要求的项目中。但是有利必有弊,那就是输出纹波,输出直流由高频交流信号整流滤波而来,因此输出电压的的纹波比线性电源的大。
所以最后我总结一下两种电源的使用建议,如果你需要得到非常稳定,干净的直流电输出,那么选择线性稳压电源。如果你的空间非常局促并且要用在大功率输出场合,就考虑交流开关稳压电源吧。


升压转换器(boost converter)
请大家设想一下如下场景,制作一个玩具遥控车,遥控部分电路供电电压5V,但是电池是一块标称电压的3.7V锂电池。很明显电池的电压并不足够使得整个电路工作,我们需要提高电池的电压,在这个案例中,就是升压转换器的用武之地了。
将一个低压直流电变成高电压直流电,这听上去很不可思议,但是电路就是这么神奇,往下看你就明白其中的道理了。
升压转换器是一种输出电压高于输入电压的设备,常用在各种玩具以及电池供电的设备中,我先给出一张升压转换器的电路图。
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我们分成开关开启时和开关闭合时两种情况台探讨电路原理
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首先是开关闭合的时候,可以看到此时二极管由于同向电压端比反向端低,所以导致二极管处于截止状态,二极管不导通,可以视为断路状态。此时由电容向负载供电,电容将存储的能量输送给负载。而此时电感直接接到输入电源上,电源会给电感充电,此时电感上会带有电压VL,方向左正右负。
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当开关断开的瞬间,由于电感会尽力保持当前电流的方向以及大小不变,电流依然会在电感上流过。此时电感正在释放存储的能量,即我们可以看成一个电源。电感电压方向将会反转,反向变成左负右正。此时注意输出电压,由于电感中存储有能量并且带有电压VL,所以此时输出电压将会是Vin+VL。而输出电压会给电容充能以及给负载供电。这其实是利用了电感的原理,电感总是会阻碍电流的变化,开关由闭合到断开的过程中,电流变小,电感会感应出一个电动势去阻碍电流(磁通量)的变化。
那么整体的过程可以被分成这样的两步:第一步开关闭合,电感被充能,由电容释放能量给负载供电。第二步开关断开,电感释放能量,加上电源的电压,形成高电压的输出,给负载供电以及给电容充能。
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那么如果我们让每个周期内开关开启时间更长,并且保持周期不变的情况下,也就是增加占空比。电感充能的时间也就越长,那么它可以对外输出的能量也就越多,也就导致了输出电压的升高。
公式2.jpg
那么如果我们提升占空比的大小,输出电压也就越高。但是我们能无限的提高占空比吗?很明显,占空比的定义是指:
占空比.jpg
那么占空比的最大值就会被限制到1,因为在一个周期内,开关开启的时间最大也就是整个周期的时间。那么如果当升压转换器中占空比为1的时候会发生什么呢?
我们可以明显的发现,此时开关将一直导通,电感将直接连接到输入电源两极
2345截图20191113025444.png
那么在电感被充能完毕后,电感对直流没有阻碍作用,此时的电感就像是一根导线,直接短接了电源两级,这会导致电源直接烧坏。所以在实际使用中,控制升压转换器电路内电子开关的PWM信号占空比绝对不允许超过1,并且一般会被限制在一个值之下。


升压转换器的应用(Application of boost converter)
升压转换器的核心电路如今基本上被集成到了一块很小的芯片里,只需要外接电感,电容以及二极管即可使用。一个基本的升压转换器芯片的外围电路如下:
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对于大负载下工作时,在开关闭合期间由于需要电容给负载供电,所以相对小负载,其输出电压纹波会显得较大。因此为了减少纹波影响,现在厂家常常会提高升压转换器的工作频率来达到减少输出纹波的目的,同样的,提高工作频率也可以显著的减少电感,电容的大小,减少总体电路体积。而缺点就是电路中高频噪声会增加。


逆变器(inverter)
的确,升压转换器很好的解决了电源电压不够的问题,不过这仅仅是针对直流电而言的,我们是否可以凭借低压的直流电获得高压交流电呢?现在不少车辆中都配备了220V的交流电插座,我们可以随意的在汽车上使用手机出充电机,笔记本充电器等设备,那么我们知道汽车中配备的电池是输出直流电的,它是如何变成交流电的呢?
不妨来看一下这个电路:
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看起来电路很简单,一个电池供电,四个开关构成了两个支路,在两个开关之间我们取测量点A和B。当开关SW2和SW3全部断开的时候,我们可以闭合SW1和SW4,此时A点电位等于电池正极电位,B点的电位就是负极电位:
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此时AB之间的电压曲线如下:
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那么让我们接着断开SW1和SW4,我们就可以闭合SW2和SW3了,此时A点电位等于电池负极电位,B点电位就是正极电位:
2345截图20191113224732.png
好的我们可以很明显的发现AB之间的电压为负数了,因为此时A点电位等于电池负极电位,所以电压波形反过来了。
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是不是感觉有点接近交流电了?有着电压方向的改变,现在我们也创造出了正向电压和反向电压!


现在呢,我们交替执行这两个过程,在两个过程之间加上一点延时,即:
2345截图20191113231558.png
那么我们可以看到AB上的电压将会变成这样:
逆变器1.jpg
这个图像可以看到AB上的电压交替在正电池电压到负电池电压之间变化,那么这个时候,这个电压曲线满足交流电压的两个定义:电压大小和方向随时间周期性改变,这个电压信号就是交流电信号。看起来这个波型是介于方波和正弦波之间的波形,这个波形也有一个独特的名字——修正正弦波
pure_modified_sine_comparison.JPG
那么我们获得了一个修正正弦波信号,其频率我们通过调整开关的导通时间可以调整为50HZ,但是电压的幅值还是不够市电220V那么高,所以我们将其送入一个升压变压器,将低压交流电变为高压交流电,从而得到220V幅值的修正正弦波交流电,输出给负载,那么这就是最基本的逆变器的工作原理,电路如下:
2345截图20191113234601.png
这种逆变器具体实现起来呢其中还要添加控制各个开关的驱动电路,同样的这些开关一般都是电子开关(开关管),然后输出部分一般会使用电容以及电感滤波,最终输出的就是交流220V50HZ修正正弦波交流电。
看起来这种逆变器已经可以给负载输送能量,让负载正常工作了,并且适用于一些阻性负载,比如接电灯,手机充电器等等。但是这种类型的逆变器也会有个致命的问题:不能接感性负载。和前面的升压转换器的例子类似,当修正正弦波电压急剧下降到0的时候,感性负载上的电流并不会立即下降到0,因为感性负载会阻碍电流的变化。那么感性负载会发生自感现象并产生极高的反向电动势,可能会击穿感性负载的电路以及逆变器输出滤波电路。所以这种逆变器有利也有弊,利是电路简单,弊是不适合所有类型负载。


正弦波逆变器(sine wave inverter)
对于普通的修正正弦波逆变器,我们了解到了基本的工作原理。但是不适合感性负载这也确实存在着使用范围局限的问题,下面我介绍的正弦波逆变器,解决了这些问题。
在说明正弦波逆变器之前,我先要说一下什么是SPWM,SPWM(Sinusoidal PWM)字面上理解起来就是正弦波型的PWM信号,那么他的核心思想就是使用周期相同,但是占空比按照正弦曲线规律变化的PWM波来模拟正弦信号,这里我们先看一下SPWM波形
微信图片_20190728134649.jpg
好的我们看到上图,占空比的变化是根据正弦曲线来变化的,当正弦曲线的值越大时,占空比也就越大,反之越小。那么此时,将图上每个周期内的电压值进行积分运算,我们可以得到这样的效果
SPWM.jpg
可以看到在不同的占空比下,电压积分预算出来的结果呈近似正弦曲线变化,如果我们无限的缩小周期,我们就会得到了正弦波型。可惜我们并不能持续的缩小周期,因为开关管不可能在瞬间完成开关,所以一般使用一个较高的频率来控制开关管,然后搭配上电感滤波电路,尽量平滑掉电路中阶梯状的电压变化,过滤掉那些噪声(高次谐波)
这就是正弦波逆变器的核心原理。我们再次回到普通逆变器的电路中:

如果此时我在交替开关两组开关的时候,使用SPWM对每一组开关进行调制:
2345截图20191114005041.png
然后在AB端的输出接上电感滤波电路,过滤掉电压阶梯状的分量,那么我就可以得到一个近似于正弦波的波形了:
timg_看图王.jpg
图中蓝色指示的是AB的电位,红色的线是经过电感滤波后的输出波形,此时再次将这个正弦波输出接到升压器中,可以得到和市电相同的,甚至更加纯净的220V50HZ正弦交流电了(没有电网中的干扰)。
对于正弦逆变器来说,就和在家里使用插座里的电是一样的了,并没有普通修正正弦波滤波器的负载限制,感性负载也能适用。
了解过傅里叶变换的朋友应该知道,像修正正弦波这种类型的波形,经过傅里叶级数展开之后,其中含有高次谐波分量较多,我们可以从下图看到:
傅里叶.jpg
当一个正弦波经过多个频率较高的正弦波的累加之后,其波形逐渐向方波靠近,其频域图像中可以看出高频成分数量增多。所以如上一段落所说,修正正弦波中含有较多的高次谐波,对于一些精密设备的使用可能造成较大的电源干扰,对通讯设备也可能造成干扰。而反观正弦波的波形,经过傅里叶级数展开之后只有基频一项,所以其不会带有谐波成分,电源更加纯净,更加适合不同的负载使用。


这些就是我能想到所有关于开关电源的知识了,从最初PWM到基本的降压转换器,典型的交流开关电源,到接下来的升压转换器以及逆变器。这些电源拥有的基本特质其实都是内部有着电子开关,通过电子开关的通断,搭配一些储能元件(电感电容)来达到输出稳定电源的目的。很惊讶于人类的智慧,对于这些知识的应用,从一个小小的电阻到复杂的电路,我们可以设计出这么复杂的东西并且保持他们正常工作,灵活运用各种元件的性质,完成期望的效果,不断追求设备的最优化,力求做到最小最好。我在写这篇文章的时候深深感受到了电子科技的伟大,也感谢探索他们做出的贡献。是各种电子设备让我们的生活更美好,没有这些理论知识,没有这些实际经验,我们何能享受美好的生活,我感到很幸福可以以后投身于这个行业,去开发更好的体验。最后欢迎各路高手拍砖,如果哪里存在理论问题请提出来,谢谢。














                                                         

gada888  版主

发表于 2019-12-1 12:52:21

不错,内容信息量大
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a1449169199  见习技师

发表于 2019-12-28 00:42:44

学到 了,你讲的东西真的很实用,期待后续。
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面包板  初级技匠

发表于 2020-2-6 20:41:06

这就是理想的技术文!好的教程建立框架!一想到作者也只是踩着巨人的肩膀,瑟瑟发抖
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