现代电源的基本设计

现代电源的基本设计

与IC的线性稳压器是供货项目多年，现在的时间已经到了现代化，并与类似的替代他们能够更加有效的切换，同样易于管理的基础.

线性电压调节器通常是更有效和更容易比电压调节器的等效电路使用具有分立元件来实现，例如一个齐纳二极管和电阻, 或甚至晶体管和运算放大器.

在一个线性输出最流行的类型的电压调节器的固定和迄今为止系列用于正输出电压和78XX系列负输出电压79XX这两种类型的互补的电压调节器产生一个精确的输出电压和从有关稳定 5 伏直到大约 24 伏在许多电子电路的使用.

宽范围的这些电压的调节因子调节的固定到三个端子，每个具有嵌入式电路的其自己的电压调节和电流限制. 这使我们能够建立一个全系列不同功率输出的, 两个单或双电源, 适用于大多数的电路和电子应用的.

大部分直流电源包括一个大而重的降压电源变压器, 整流二极管, 波或全波, 一个滤波电路，以除去纹波任何内容从DC整流以产生DC电压足够规则, 和稳定电路, 以确保电源的输出电压的变化的负载条件下，正确调整. 因此，一个典型的直流电源看起来像这样:

典型的DC电源

这些典型的电源中含有大量电源变压器 (这也提供了输入和输出之间的隔离) 和调节器电路串联耗散. 调节器电路可以由单个齐纳二极管或线性串联调节到三个端子，以产生所需的输出电压而构成. 线性调节器的优点是，电源电路仅需要一个输入电容器, 输出电容器和一些反馈电阻来设置输出电压.

线性电压调节器产生使用连续传导晶体管经调节的输出直流的输入和输出之间串联, operandolo在其线性区域.

因此, 晶体管的作用更为连续地适应需要保持正确的输出电压的任何值的可变电阻.

电路稳压器晶体管系列

这里这个简单的射极跟随器电路由一个NPN晶体管，和所需的DC偏置电压来设置输出电压. 由于射极跟随器电路有一个单一电压增益, 施加适当的偏压电压施加到所述晶体管的基极, 你从发射极端稳定的输出.

由于晶体管提供电流增益, 输出负载电流会比基极电流高得多, 甚至更高，如果你使用达林顿配置.

唯一的条件是，输入电压是足够高的，以获得所需的输出电压, 输出电压由晶体管的基极电压控制.

在这个例子中说到 5,7 伏，以产生的输出 5 伏负载, 附加0.7V用于补偿基极和发射极的端子之间的电压降. 然后, 基于所述基电压的值, 因此能够获得的发射极的输出电压的任意值.

这种方法的缺点是，串联调节器晶体管在其线性区域连续地偏压, 以热的形式消耗功率作为其产品VXI的结果, 由于整个的负载电流必须通过晶体管, 导致效率低下, 浪费的功耗和发热持续.

还, 该系列稳压器具有缺点之一是它们的最大连续输出的额定电流被限制到几安培. 因此，他们在应用程序通常用于需要低输出功率.

当系统提示您输入多输出电压或高电流, 通常的做法是使用通常被称为开关调节器 电源组 切换到所述电源电压转换成任何其它所需的功率.

电源 交换, 该 SMPS, 他们正变得司空见惯，取代了大多数情况下，传统的线性电源，以此来降低能耗, 减少热耗散, 以及尺寸和重量.

现在开关电源在大多数PC使用, 功率放大器, 电视, 直流电机, 等等. 几乎任何需要高效率的电源，因为开关电源正在成为一个成熟的技术.

根据定义, 开关模式电源 (SMPS) 它是一种类型的电源，使用半导体开关技术, 而不是标准的线性方法，以提供所需要的输出电压. 基本方案在于一种功率开关级和控制电路. 功率开关级中的功率转换器的输入电压而执行所述电路, 酒 它的输出电压, VOUT 其中包括输出滤波器.

主要优点开关电源是其更高的效率, 相比标准线性稳压器, 这是通过利用一个晶体管来实现 (或功率MOSFET) 包括其状态 “上” (充分) 和它们的状态 “关闭” ( 隔断), 产生更低的功耗状态.

这意味着，当开关晶体管完全 “上”, 在其上的电压降是在它的最小值，并且当晶体管处于完全 “关闭” 没有功率耗散. 然后，晶体管表现出理想开关.

结果, 不像只提供降压电压调节线性稳压器, 一个开关电源可以提供降压, 使用升压和否定的输入电压的三个基本开关的电路拓扑结构中的至少一个:巴克, 促进 Ë 降压 - 升压. 三种类型中的方式不同，其中所述晶体管, 所述电感器和所述平滑电容器连接在基本电路内.

馈线巴克

该 降压稳压​​器 它的目的是从一个更高的电压，以有效地减少的直流电压到一个较低的不改变极性. 换句话说, 所述降压开关稳压器是降压调节器电路, 因此，例如，降压转换器可以转换 +12 这是 +5 伏特.

降压开关稳压器是直流到直流转换器和最简单和最流行的一种. 降压调节器开关使用串联的晶体管或功率MOSFET或IGBT作为主开关装置，如下所示, 常用于以下方案我将使用MOSFET作为开关元件，只是因为周围绝大多数使用的，但, 演讲同样真实的BJT或IGBT.

降压开关稳压器

我们可以看到，对于降压转换器电路的基本配置是串联的MOSFET开关,T1与保持输出电压尽可能接近到所需水平相关联的控制电路, 二极管,D1, 一个电感器,L1E滤波电容,C1. 降压转换器有两种工作模式, 根据晶体管是否是上commutazioneT1 “上” 或 “关闭”.

当T1是 “上” (关闭开关), 二极管D1被反向偏置，输入电压Vin使通过电感器流动到连接至输出负载的电流, 装载在同一时间，电容器C1. 当通过电感器的可变电流, 它产生一个相反的感应电压相对电流的流动, 根据法拉第定律, 当它达到一个稳定的状态电感器周围产生磁场, L1. 这种情况一直持续下去，直到T1导通.

当晶体管关断，并进入 “关闭” (打开开关) 由控制电路指令, 输入电压被瞬间中断引起的磁场围绕所述电感器电感器感应的反向电压能量守恒原理的崩溃. 该反向电压使二极管的正向偏压, 因此，存储在电感器电流的磁场强度的能量继续通过负载在相同的方向上流动.

因此，电感器L1通过充当源和提供功率，直到存储的所有能量不返回到电路或直到开关返回所存储的能量给负载 (MOSFET) 它再次关闭. 在同一时间对电容器放电有助于负载. 电感器和电容器的组合形成LC滤波器，用于衰减由开关晶体管的作用产生的任何波纹.

因此, 当固态开关闭合, 电力从电源供给，并且当所述开关打开, 电力从所述电感器提供的. 需要注意的是流经电感的电流总是在相同方向, 直接或通过它从二极管, 但很明显，在开关周期内的不同时间.

由于晶体管开关被连续地关闭和打开, 然后将输出电压的平均值将取决于在其上整个开关周期期间定义为开关晶体管的导通时间的占空比d. 如果存在电源电压和定时 “上” Ë “关闭” 用于开关被定义为: 吨的E Toff的, 因此，输出电压Vout被给定为:

降压转换器的占空比也可以被定义为:

从这里，如果我们套用前面的公式我们

因此，更大的占空比d, 在开关模式越大电源的输出电压. 由此我们也可以看出，输出电压总是比输入电压，因为工作周期下, d永远无法实现统一. 所述电压调节是通过改变占空比和高开关速度得到, 菲诺在200kHz, 它有可能使用较小的组件大大减少在开关模式电源的尺寸和重量, 最近，这种限制已经大大克服 到达兆赫SMD组件，其中所述线圈必须具有相似大小的其它部件.

随着理想成分, 或者，如果在状态的开关损耗 “上” 为零, 理想的降压转换器可有效率高达 100%.

除了控制器 降压降压 一种用于开关电源的基本设计, 还有另一种配置，即 升压 该 促进 变流器.

功率提升

该 升压开关稳压器 是在开关模式另一种类型的电源电路的. 它具有相同的组件前面的降压转换器, 但这次在不同的位置. 升压转换器被设计成从一个较低的增加的DC电压到较高电压, 或增加电源电压, 从而增加在输出端子的可用电压不改变极性. 换句话说, 升压开关调节器是一个升压调节器电路, 因此，例如，升压转换器可以转换的电压为 +5 这是 +12 伏特.

前面我们已经看到，降压系列中使用其基本设计中的开关晶体管的开关稳压器. 与设计的差异 升压型稳压器 它是，它使用并联连接的开关晶体管控制从开关模式中的片材馈送器的输出电压. 由于开关被有效地并联连接在所述输出, 的能量通过电感器负载，只有当晶体管处于 “关闭” (打开开关) 如图所示.

该稳压器 交换 促进

在电路 升压转换器 , 当开关处于“ON”, 能源供应, 酒 通过电感器和晶体管，并反馈. 因此没有经过出口因为晶体管开关创建短路到输出. 这增加了流动的电流通过，因为它要重新掌权一个较短的路径电感器. 与此同时, 二极管 D1 反向极化的，因为它的阳极连接通过开关而电容器开始通过负载放电到地，而阴极是在输出处的电压电平.

当晶体管关断, 现在的输入功率被连接到通过所述电感器和二极管的输出串联连接的. 当电感领域降低, 存储在电感器中的能量被诱导从Vin的推力输出, 通过二极管直接偏置. 所有这一切的结果是，通过电感器L1中感应的反向电压时通过增加变得成为Vout = Vin的+ VL总输出电压加到电源电压.

从平滑电容器的电流, 的是使用以向负载供电时，开关被关闭C1, 现通过二极管提供给输入它从冷凝器. 所以提供给电容器的电流是二极管电流, 这将总是为ON或OFF，因为二极管被连续的状态下直接和逆值之间由晶体管开关动作切换. 然后，平滑电容器必须足够大，以产生一个输出调节和过滤这些峰.

由于跨越所述电感器的感应电压L1是负, 它被添加到源极电压, 酒, 迫使电感电流在负载. 升压转换器的输出电压由下式给出:

与前面的降压转换器, 从升压转换器的输出电压取决于输入电压和占空比. 因此, 控制工作周期, 您是通过输出调节获得. 还, 这个等式不从电感值取决于, 从负载电流或输出电容器换货.

上面我们已经看到，是否需要降压输出电压的开关电源电路的基本操作可使用非隔离降压配置，或取决于升压配置 (降压) ø升压 (促进).

但是，我们也可以在一个单一的开关稳压器电路结合这两种基本的开关拓扑不isolanto叫, (巧合), 与想象力未免有点儿, 降压 - 升压型转换器.

降压 - 升压电源

该 降压 - 升压型开关稳压器 它是降压转换器的组合，并且其产生反相输出电压的升压转换器 (负) 可根据工作循环比输入电压更大或更小. 降压 - 升压转换器是升压转换器电路变型，其中所述逆变器转换器仅输送仅加载由电感器存储的能量 L1.

下面是降压 - 升压模式的供电电路.

该稳压器 开关降压 促进

当开关T1导通 (关闭), 电感两端的电压等于电源电压，使得在电感器储存能量输入从. 没有电流被提供给在其输出，因为二极管连接的负载, D1是反向偏压. 当晶体管关断 (开放), 二极管变为正向偏置，先前存储在电感中的能量被传递至负载.

换句话说, 当开关接通时 “上”, 在电感中的能量从电源提供没有任何输出.

当开关 “关闭”, 所述电感器的电压反转，然后将电感器本身成为能量源, 然后在电感器预先存储的能量被切换输出 (通过二极管), 没有从输入源直接来自. 因此，电压提供给负载时，开关晶体管是 “关闭” 它是等于电感器的感应电压.

其结果是，反相输出电压的振幅可以根据工作循环大于或小于或等于输入电压. 例如, 降压 - 升压转换器可以从转换 5 这是 12 伏特 (升压) 给 12 这是 5 伏特 (降压).

在降压 - 升压开关稳压器的Vout被给定为:

因此，降压 - 升压型稳压器有这个名字，因为这可能会更高，输出电压 (作为升压功率级的一个) 以下 (作为降压功率级) 的输入电压的. 然而, 输出电压具有相反的极性与输入电压.

开关模式Riepilogo

现代开关电源, ØSMPS, 它采用固态开关来转换DC输入电压在不同电压电平的DC调节的输出电压不被调节. 直流电压的电源可以是来自电池实际输入或太阳能电池板, 或来自交流电源的经整流的DC电压利用二极管桥具有一些附加电容滤波器一起.

这样做的主要优点是，所述控制器的能量效率可以是相当高的，因为该晶体管完全导通和导体 (充分) 或完全关闭 (中断).

有不同类型的转换器到DC-DC可用, 最常用的三个开关电源拓扑是已知的 巴克, 促进 Ë 降压 - 升压. 所有这三种拓扑都不是孤立的, 即，它们的输入和输出电压共享一个共同的接地线.

输出电压的调整是通过控制的时间的百分比，其中所述开关晶体管是在状态下获得 “上” 出的总接通时间的 / 关闭. 此比率被称为占空比和改变占空比, d可以通过输出电压Vout的振幅来控制.

单个电感器和二极管和固态开关的与快速开关能够在千赫兹的数量级可以大大减少尺寸和重量进料器的开关频率操作使用. 然而, 如果需要的输入和输出端子之间的隔离, 有必要包括第一换流变压器.

降压转换器被设计成电能从起动电压转换为低. 降压转换器具有串联连接的开关晶体管工作. 由于占空比, d <1 , 降压输出电压总是比输入电压低.

升压转换器被设计成电能从起动电压转换为更高. 该升压转换器并联连接的开关晶体管，其通过电感器L1和二极管D1确定Vin和Vout之间的直接电流通路进行操作. 这意味着，这是对输出短路保护无.

通过改变占空比, (d) 升压转换器, 输出电压可被控制，并与d <1, 从升压转换器输出的DC比输入电压Vin作为电感器的自感应电压的结果更大 .

还, 假定输出平滑在电源电容器 换 他们是足够老, 如不以由源与开关供应的能量的不存在期间被排出, 这转化为一个恒定的输出电压.

有了这个，我结束对各类具有能够说服人们希望开关电源讨论得出这样的类型在他们的设计作品中无论是爱好或半职业. 基本上，一旦我们了解我们如何能阻止看着他们怀疑和充分利用他们为我们的需求.

Amilcare问候