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DIY一個數(shù)控開關(guān)電源,你需要掌握這些知識

發(fā)布時間:2019-11-22 責任編輯:wenwei

【導讀】想要成為一名合格的硬件工程師,熟練掌握電源知識至關(guān)重要——凡是在工作著的系統(tǒng)都必須要有電源,而電源是否可靠穩(wěn)定的運行,則影響著整個系統(tǒng)的工作情況。那么,如何產(chǎn)生“干凈”的電源?假設(shè)自己DIY一個開關(guān)電源的難度有多大,需具備哪些知識呢?
 
DIY一個數(shù)控開關(guān)電源,你需要掌握這些知識
分解式完整學習路徑
 
別著急,我們一步步來,先了解開關(guān)電源的定義
 
DIY一個數(shù)控開關(guān)電源,你需要掌握這些知識
圖1 兩種常用電源
 
如上圖,電源大的分類主要有線性電源和開關(guān)電源。從簡化的圖形上看,(a)線性電源隨著調(diào)整管的大小而輸出呈現(xiàn)一個線性的變化,(b)中可以看出開關(guān)電源的工作原理。
 
為什么叫開關(guān)電源?簡單的說開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。
 
圖(a)和(b)中,除了把兩種電源做了模型的簡化,讓大家非常清楚的知道兩者本質(zhì)區(qū)別之外,開關(guān)電源與線性電源還有如下區(qū)別:
 
1) 功率管的工作方式不同,線性電源的功率管工作在可變電阻狀態(tài)(放大區(qū)),而開關(guān)電源的功率管工作在開關(guān)狀態(tài)(飽和區(qū)及截至區(qū));
 
2) 效率不同。線性電源的功率管是一個可變電阻那么就不可避免的需要消耗電能,而開關(guān)電源功率管工作在開關(guān)狀態(tài)從而它的效率比較高,一般都在90%以上;
 
3) 紋波不同。線性電源沒有開關(guān)動作從而紋波噪聲小,相反開關(guān)電源紋波噪聲就較大;
 
4) 開關(guān)電源體積較小,功率大。線性電源的功率管消耗電能因而發(fā)熱量較大需要加配較大散熱片,開關(guān)電源的功率管工作在開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的熱損耗要小得多。
 
明確開關(guān)電源的概念后,再來看開關(guān)電源的構(gòu)成
 
DIY一個數(shù)控開關(guān)電源,你需要掌握這些知識
圖2 開關(guān)電源基本組成
 
如圖2所示,開關(guān)電源的工作原理是:輸入電壓經(jīng)過濾波之后,被主電路轉(zhuǎn)換為脈沖電壓,脈沖電壓再經(jīng)過輸出端濾波后得到輸出電壓。同時輸出端設(shè)置采樣電路對輸出電壓進行采樣反饋給控制電路,控制電路通過PWM調(diào)制控制主電路的狀態(tài)從而達到電壓穩(wěn)定輸出。
 
基本組成中的各部分都承擔著重大作用:
 
輸入濾波:將輸入端的電網(wǎng)雜波濾除,阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到電網(wǎng);
 
主電路:承擔電壓變換的主要角色,將輸入濾波后的電壓轉(zhuǎn)化為高頻的直流脈沖電壓;
 
輸出濾波:濾除主電路中開關(guān)管產(chǎn)生的高頻雜波,輸出穩(wěn)定的電壓;
 
采樣電路:對輸出電壓、電流進行采樣;
 
控制電路:取得采樣電流采集的數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行比較并產(chǎn)生控制信號控制主電路,以達到反饋控制的目的;
 
輔助電源:提供控制回路的工作電壓。
 
搞清楚概念和原理之后,補充制作最簡單開關(guān)電源必備知識
 
很多同學最初DIY時,都逃不過炸電容,燒芯片,廢MOS管….迷茫的翻閱《電力電子技術(shù)》書籍,學習什么是Buck?什么是Boost?什么是半橋?小心翼翼的焊板子,制作數(shù)控電源等。
 
DIY的樂趣就在于此,接下來,我們提前儲備一下開關(guān)電源的制作的必備知識點,好讓大家在真正動手實踐時少踩坑!(注意:電源的指標我們先不用定的太高,只需要設(shè)計一個輸入直流、輸出直流具有恒壓功能的DC-DC電源即可。)
 
1)對于主電路,需要懂得Buck電路,如下圖3所示。理解其工作原理,知道PWM(脈寬調(diào)制)控制其輸出電壓,建議大家參考一下《電力電子技術(shù)》。
 
DIY一個數(shù)控開關(guān)電源,你需要掌握這些知識
圖3 Buck電路原理圖
 
2)輸入輸出濾波電路,這一塊就輕松點了。明白電解電容的耐壓值要高于接入的電壓才不會爆炸,要想濾波效果好就得多個電容并聯(lián),且要電解電容和瓷片電容一起用,因為瓷片電容的高頻特性好,可以有效濾除高頻雜波。而電解電容容量大,能保持輸出電壓的穩(wěn)定。
 
3)對于控制電路,如果使用專用的開關(guān)電源芯片那么就按參考芯片手冊給出的典型電路。如果采用的是微處理器,那么需要會C語言,懂得操作單片機控制其管腳輸出PWM波,以及MOS管的驅(qū)動電路。
 
4)采樣這一部分需要懂得電阻分壓采樣,電路圖如下圖所示:
 
DIY一個數(shù)控開關(guān)電源,你需要掌握這些知識
圖4 分壓采樣電路
 
圖中OP97主要起到保護后級電路的作用。若沒有OP97,直接將N點連接至后級電路,當輸出電壓突然過高,N點電壓有可能超過后級電路的可承受電壓,從而燒毀AD轉(zhuǎn)換器或者其他后級電路。若存在OP97,那么出現(xiàn)N點電壓過高,OP97將達到飽和區(qū),輸出電壓被限制在工作電壓而不會出現(xiàn)燒毀后級電路的情況。
 
5)對于輔助電源,可以直接使用相關(guān)的電源芯片(如果控制電路使用的是集成開關(guān)電源芯片,那么芯片內(nèi)部一般都將輔助電源集成在了內(nèi)部)。
 
6)我們建議大家控制部分使用微控制器來做,主電路自己用MOS管來搭建,輔助電源部分使用相關(guān)的開關(guān)電源芯片,例如ADI的ADP2360、LTC3309。
 
用集成的開關(guān)電源芯片來做的話,需要自己制作的部分很少很少,只需按照芯片手冊添加幾個電阻、電容、電感即可。如果使用微控制器來做的話,那么主電路、采樣電路、驅(qū)動芯片、輔助電源芯片都需要自己來設(shè)計和選型,學起來才深刻。
 
 
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