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【干貨】帶你解鎖AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器

發(fā)布時間:2022-11-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】我們把單片機的一個IO口接到這個MOS管的gate端口,就可以控制這個燈泡的亮滅了。當(dāng)然別忘了供電。當(dāng)這個單片機的IO口輸出為高的時候,NMOS就等效為這個被閉合的開關(guān),指示燈光就會被打開;那輸出為低的時候呢,這個NMOS就等效為這個開關(guān)被松開了,那此時這個燈光就被關(guān)閉,是不很簡單。


首先,我們過一下AC(交流)和DC(直流)的概念。


何謂AC


Alternating Current(交流)的首字母縮寫。


AC是大小和極性(方向)隨時間呈周期性變化的電流。


電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率,以Hz為單位表示。


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何謂DC


Direct Current(直流)的首字母縮寫。


DC是極性(方向)不隨時間變化的電流。


①流動極性(方向)和大小皆不隨時間變化的電流通常被稱為DC。


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②流動極性不隨時間變化,但大小隨時間變化的電流也是DC,通常被稱為紋波電流 (Ripple current)。


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一、AC/DC轉(zhuǎn)換器


何謂AC/DC轉(zhuǎn)換器?


AC/DC轉(zhuǎn)換器是指將AC(交流電壓)轉(zhuǎn)換成DC(直流電壓)的元件。


為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)換器?


那是因為家庭住宅和樓房接收到的電壓是100V或200V的AC電壓。然而大家大部分使用的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。也就是說,如果不把AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓,電器就不能工作。


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其中也有電機、燈泡等可以用交流電壓驅(qū)動的產(chǎn)品,但電機與微控制器的控制電路連在一起,燈泡也變成節(jié)能LED,因此有必要進(jìn)行ACDC轉(zhuǎn)換。


為什么傳輸?shù)氖茿C電壓?


可能有人會認(rèn)為“既然電器使用的是DC,那為什么不一開始就傳輸DC?”


總所周知,電力來自水力發(fā)電站、火力發(fā)電站、核電站等。這些發(fā)電站位于山區(qū)或沿海等地區(qū),從這些地區(qū)傳輸?shù)绞袇^(qū),AC電壓更有優(yōu)勢。


簡而言之,通過以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓,可以減少傳輸損耗(能量損耗)。然而,在實際家庭中,由于不能直接使用高電壓,所以需要通過幾個變電站分階段進(jìn)行變壓(降壓),最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進(jìn)入家庭。這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡單,所以傳輸?shù)氖茿C電壓。


全波整流和半波整流(AC/DC轉(zhuǎn)換)


將AC(交流電壓)轉(zhuǎn)換為DC(直流電壓)的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來進(jìn)行整流,唯樣商城在售二極管,型號多樣,原廠授權(quán)正品現(xiàn)貨。


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全波整流是通過二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓(脈沖電壓)。而半波整流是使用一個二極管來消除輸入負(fù)電壓成分后整流為直流電壓(脈沖電壓)。之后,利用電容器的充電和放電功能來平滑波形,從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。因此可以說,與不利用輸入負(fù)電壓成分的半波整流相比,全波整流是更具高效率的整流方法。此外,平滑后的紋波電壓根據(jù)電容器容量和負(fù)載(LOAD)而變化。


全波整流和半波整流在相同的電容器容量和負(fù)載條件下,全波整流的紋波電壓更小。紋波電壓越小,穩(wěn)定性越高、性能越優(yōu)。


AC/DC轉(zhuǎn)換方法


AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開關(guān)方式。


變壓器方式


這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器方式電路結(jié)構(gòu)。


【變壓器方式的電路結(jié)構(gòu)示例】


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下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。


變壓器方法首先需要通過變壓器將交流電壓降壓到適當(dāng)?shù)慕涣麟妷海ɡ纾瑥腁C100V降至AC10V等)。這屬于AC/AC轉(zhuǎn)換,降壓值由變壓器的繞組比設(shè)定。


接下來,通過二極管橋式整流器對經(jīng)過變壓器降壓的交流電壓進(jìn)行全波整流,轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。最后,經(jīng)電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓,這是最傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換方法。


【變壓器方式的波形推移】


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開關(guān)方式


這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)。


【開關(guān)方式的電路結(jié)構(gòu)示例】


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下圖顯示了開關(guān)方式電壓波形的變化。


變壓器方式是首先通過變壓器進(jìn)行AC/AC降壓,而開關(guān)方式是直接用二極管橋式整流器對交流電壓進(jìn)行整流。由于普通家庭的用電電壓為AC100V或AC200V,所以二極管橋式整流器必須具有可承受高電壓的規(guī)格。


接下來,用電容器平滑直流電壓(脈沖電壓)。電容器同樣需要耐高壓的電容器。然后,通過開關(guān)元件的ON/OFF對直流電壓進(jìn)行斬波(切割),并經(jīng)過高頻變壓器降壓后傳送到二次側(cè)。此時,斬波波形變?yōu)榉讲ā?/p>


與家用頻率(50/60Hz)相比,開關(guān)元件使用的頻率更高(例如,100kHz)。由于高頻工作,所以可以實現(xiàn)變壓器的小型化、輕便化。


【開關(guān)方式的波形推移】


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在二次側(cè)利用整流二極管對方波進(jìn)行半波整流,之后用電容器對其進(jìn)行平滑,并輸出直流電壓。


開關(guān)方式是利用控制電路控制開關(guān)元件,獲得穩(wěn)定的預(yù)期的直流輸出(例如,DC12V)的方式。


與變壓器方式相比,開關(guān)方式由開關(guān)元件和控制電路組成,電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但由于基于高頻控制可以使用小型變壓器,所以有助于設(shè)備小型化,這是它的一個很大的優(yōu)點。


反饋控制


何謂反饋控制?


開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過確認(rèn)實際輸出的DC電壓值,并根據(jù)該電壓信息對開關(guān)元件進(jìn)行控制,從而確保穩(wěn)定實現(xiàn)規(guī)定的DC輸出。這種確認(rèn)該輸出電壓值以控制開關(guān)元件的機制叫做反饋控制(FB控制)。


【開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)示例】


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反饋控制的示意圖


開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過二極管電橋?qū)C電壓進(jìn)行整流,再通過電容器實施平滑處理,將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。然后,通過開關(guān)元件對該DC電壓進(jìn)行斬波(ON/OFF)后,通過高頻變壓器降壓后傳遞到2次側(cè),再利用電容器進(jìn)行平滑處理,輸出規(guī)定的DC電壓(VDC)。


FB控制電路檢測實際輸出的該電壓值是否達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)電壓值。


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【經(jīng)過平滑處理的輸出電壓示意圖】


實際輸出電壓值低于目標(biāo)電壓值時,則會對開關(guān)元件進(jìn)行控制,使ON時間變長。這樣,輸出電壓值就會上升。反之,高于目標(biāo)電壓值時,則控制ON時間變短。


這樣,反饋控制電路常時對實際輸出電壓值進(jìn)行確認(rèn),并根據(jù)該值調(diào)整開關(guān)元件的ON/OFF時間,確保目標(biāo)輸出電壓值的穩(wěn)定。


輕負(fù)載模式


何謂輕負(fù)載模式?


提高使用較少輸出電流時的效率的技術(shù)叫做輕負(fù)載模式。在DC/DC轉(zhuǎn)換器等中也叫脈沖串模式。


開關(guān)式AC/DC及DC/DC轉(zhuǎn)換器通過ON/OFF轉(zhuǎn)換進(jìn)行電壓斬波和電容器平滑處理,以穩(wěn)定提供目標(biāo)輸出電壓值。但是,這種轉(zhuǎn)換在ON/OFF時會產(chǎn)生瞬間漏電流(貫通電流)。也就是說,單位時間內(nèi)的ON/OFF次數(shù)越多,漏電流導(dǎo)致的損失越大,效率越低。


周期恒定(PWM控制)時,即使ON/OFF時間比有變化,其次數(shù)在單位時間內(nèi)也是恒定的。因此,自身功耗量也是恒定的,輕負(fù)載時這種轉(zhuǎn)換漏電流造成的損失會導(dǎo)致效率降低。故此,在使用電流少的情況下,通過頻率調(diào)制(PFM控制)將周期拉長、變慢,從而減少單位時間內(nèi)的ON/OFF轉(zhuǎn)換次數(shù),以減少損失。這種技術(shù)就叫做輕負(fù)載模式。


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【PWM方式和PFM方式】


根據(jù)狀況區(qū)分使用PWM和PFM可進(jìn)一步提高效率,如高負(fù)載(使用電流)時使用周期恒定的PWM控制,輕負(fù)載(不使用電流)時使用周期變化的PFM控制。


■PWM (脈寬調(diào)制):頻率恒定,通過開關(guān)ON從輸入電壓中調(diào)取輸出部分的控制方式。


■PFM (脈沖頻率調(diào)制):通過固定ON時間、改變頻率(改變OFF時間)來調(diào)取輸出部分的方式。反之,也有固定OFF時間、改變ON時間的方式。


PFM方式根據(jù)輸出電流量改變頻率,效率較高,但開關(guān)時會不定期發(fā)生噪音。這種頻率無法確定的噪音很難消除,要解決噪音,采用頻率恒定的PWM方式更容易操作。


這樣,噪音低的PWM和效率高的PFM可互為補充,高頻率驅(qū)動的高負(fù)載(噪音發(fā)生較多)時采用PWM,電流使用較少的低負(fù)載時采用PFM,擇優(yōu)使用,即可盡可能提高效率。


二、DC/DC轉(zhuǎn)換器


何謂DC/DC轉(zhuǎn)換器?


DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種將DC(直流)轉(zhuǎn)換為DC(直流)的元件,具體是指利用DC(直流)轉(zhuǎn)換電壓的元件。IC等電子元件各自的工作電壓范圍不同,因此需要轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。


生成電壓低于初始電壓的轉(zhuǎn)換器被稱為"降壓轉(zhuǎn)換器";生成電壓高于初始電壓的轉(zhuǎn)換器被稱為"升壓轉(zhuǎn)換器"。


名稱說明


DC/DC轉(zhuǎn)換器是指將直流轉(zhuǎn)換為直流的裝置的名稱。


它常被稱為線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等,以轉(zhuǎn)換方式的名稱命名。


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為何需要DC/DC轉(zhuǎn)換器?


插入插座進(jìn)行工作的電氣產(chǎn)品需要使用將AC(交流)100V轉(zhuǎn)換為DC(直流)的"AC/DC轉(zhuǎn)換器"。這是因為大部分半導(dǎo)體部件只能在DC下工作。整機電路板上搭載的IC等具有各自固有的工作電壓范圍,電壓精度要求也不同。通過電壓不穩(wěn)的電源等供電會導(dǎo)致誤動作或特性劣化等異常。因此,需使用"DC/DC轉(zhuǎn)換器"轉(zhuǎn)換為所需的電壓并實現(xiàn)穩(wěn)定化。


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通過DC/DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。


電源IC種類


電源IC大致分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器兩種。


作為其各自的輸出形式,線性穩(wěn)壓器僅可降壓輸出比輸入電壓低的電壓。


開關(guān)穩(wěn)壓器則具有自由度,輸出形式包括以下4種:


?降壓輸出比輸入電壓低的電壓

?升壓輸出比輸入電壓高的電壓

?升降壓輸出恒定電壓,與輸入電壓的高低無關(guān)

?從正電壓反轉(zhuǎn)輸出負(fù)電壓


而且,開關(guān)穩(wěn)壓器的整流方式有同步整流和非同步整流(二極管整流)。


【電源IC種類】


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線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器


通過DC/DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。


按轉(zhuǎn)換方式,電壓穩(wěn)壓器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器2種類型。


線性穩(wěn)壓


因工作時輸入與輸出的關(guān)系呈線型,故被稱為"線性穩(wěn)壓器"。


因輸入與輸出間串聯(lián)有控制元件,有時也被稱為"串聯(lián)穩(wěn)壓器"。


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通過控制元件降壓,因此輸入與輸出的電壓差(降壓程度)越大損耗就越大,效率也越低。因此適用于小功率的電源。


優(yōu)點:


電路簡單

外接部件少

噪音小


缺點:  


效率低

發(fā)熱大

僅降壓型轉(zhuǎn)換器


開關(guān)穩(wěn)壓器


接通開關(guān)元件(MOSFET),從輸入端向輸出端供電,直至輸出電壓達(dá)到所需電壓。


輸出電壓達(dá)到規(guī)定值后,開關(guān)元件即關(guān)閉,不再消耗輸入功率。


通過高速重復(fù)這一動作,將輸出電壓調(diào)節(jié)到規(guī)定值。


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優(yōu)點:


效率高

發(fā)熱小

可實現(xiàn)升壓/降壓/負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換


缺點:   


外置部件多

設(shè)計困難

噪音大


線性穩(wěn)壓器的工作原理


一般的引腳構(gòu)成


線性穩(wěn)壓器基本上由VIN (輸入)、VO (輸出)、GND (接地)三個引腳構(gòu)成。


在輸出可變的線性穩(wěn)壓器上添加了用于反饋輸出電壓的FB(反饋引腳)。


簡單來說,電壓固定型是內(nèi)置了電壓可變型的外接電阻的穩(wěn)壓器。


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線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路概要如下圖所示。


其工作原理與反相放大電路相同,誤差放大器的非反相引腳(FB)電壓與基準(zhǔn)電壓 (VREF) 相同,因此輸出電壓值(VO)由兩個電阻(R1和R2)的阻值比決定。


VO=[ (R1+R2) / R2 ] x VREF


下圖的輸出晶體管為MOSFET,不過也有使用雙極晶體管的產(chǎn)品。


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線性穩(wěn)壓器的分類


按功能分類


線性穩(wěn)壓器按功能進(jìn)行分類時,首先可分為正電壓用和負(fù)電壓用兩種。


根據(jù)使用電路不同,也有不需要正電源,而需要負(fù)電源的產(chǎn)品。


若只有正側(cè)電源,則不能處理接地電位以下的電壓,不能將晶體管的輸出引腳的電壓分配至負(fù)電平。將控制晶體管裝入負(fù)輸出線,從而產(chǎn)生負(fù)電壓。


【按功能分類】


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其次,還可分為電壓固定型和電壓可變型兩種。固定型由輸入、輸出、GND三個引腳構(gòu)成,內(nèi)置有輸出電壓設(shè)定用電阻。


可變型為GND基準(zhǔn)型時,添加反饋引腳變成四個引腳。可變型中也有無GND引腳的浮動工作型,這種情況為三個引腳。


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電壓固定型和電壓可變型之后還可分為標(biāo)準(zhǔn)型和LDO兩種。


LDO是Low Dropout的縮寫,是降低了輸入輸出間電位差的線性穩(wěn)壓器。標(biāo)準(zhǔn)型的輸入輸出間電位差最低也有約2V,而LDO可控制在1V以下。


何謂LDO?


LDO是Low Dropout的縮寫,是即使較低的輸入輸出間電位差也可進(jìn)行工作的線性穩(wěn)壓器。


有時也稱為低損耗型線性穩(wěn)壓器或低飽和型線性穩(wěn)壓器。


關(guān)于LDO的輸入輸出間電位差并無數(shù)值性的定義,一般是指穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作時最低電位差可控制在1V以下的穩(wěn)壓器。


例如,對于需要3.3V電源的IC,由于標(biāo)準(zhǔn)型不可制作5V到3.3V電源,因此,需要輸入輸出間電位差較低的LDO。


這樣,LDO在輸出與標(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)壓器相同的電壓時,也可設(shè)定較低的輸入電壓。


通過低電位差工作,可使能量損耗較少,可進(jìn)行抑制散熱等設(shè)計。


壓降


在線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部,從VIN到VO間加入了晶體管,使此晶體管穩(wěn)定工作所需的輸入輸出間最低電位差稱為壓降。


輸入輸出間電壓差低于壓降時,晶體管難以維持穩(wěn)定的工作,輸出電壓會降低。


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這樣,為了使含有LDO的線性穩(wěn)壓器工作,設(shè)定了所需的最低輸入電壓值,此時(VO + 壓降) 即為穩(wěn)壓器的最低工作電壓值。


輸入電壓值 (VIN) 低于最低工作電壓時,輸出電壓不能穩(wěn)定工作。

(來源:techclass.rohm)


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