完整學(xué)習(xí)路徑之開(kāi)關(guān)電源的定義

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(yùn)行，則影響著整個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)電源的難度有多大，需具備哪些知識(shí)呢?

分解式完整學(xué)習(xí)路徑

別著急，我們一步步來(lái)，先了解開(kāi)關(guān)電源的定義

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(kāi)關(guān)電源。從簡(jiǎn)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(gè)線性的變化，(b)中可以看出開(kāi)關(guān)電源的工作原理。

為什么叫開(kāi)關(guān)電源?簡(jiǎn)單的說(shuō)開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)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(jiǎn)化，讓大家非常清楚的知道兩者本質(zhì)區(qū)別之外，開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的功率管工作在開(kāi)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(gè)可變電阻那么就不可避免的需要消耗電能，而開(kāi)關(guān)電源功率管工作在開(kāi)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(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作從而紋波噪聲小，相反開(kāi)關(guān)電源紋波噪聲就較大;

4) 開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的熱損耗要小得多。

明確開(kāi)關(guān)電源的概念后，再來(lái)看開(kāi)關(guān)電源的構(gòu)成

圖2 開(kāi)關(guān)電源基本組成

如圖2所示，開(kāi)關(guān)電源的工作原理是：輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波之后，被主電路轉(zhuǎn)換為脈沖電壓，脈沖電壓再經(jīng)過(guò)輸出端濾波后得到輸出電壓。同時(shí)輸出端設(shè)置采樣電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣反饋給控制電路，控制電路通過(guò)PWM調(diào)制控制主電路的狀態(tài)從而達(dá)到電壓穩(wěn)定輸出。

基本組成中的各部分都承擔(dān)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(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到電網(wǎng);

主電路：承擔(dān)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(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的高頻雜波，輸出穩(wěn)定的電壓;

采樣電路：對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)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(jìn)行比較并產(chǎn)生控制信號(hào)控制主電路，以達(dá)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(bǔ)充制作最簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電源必備知識(shí)

很多同學(xué)最初DIY時(shí)，都逃不過(guò)炸電容，燒芯片，廢MOS管….迷茫的翻閱《電力電子技術(shù)》書(shū)籍，學(xué)習(xí)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(lè)趣就在于此，接下來(lái)，我們提前儲(chǔ)備一下開(kāi)關(guān)電源的制作的必備知識(shí)點(diǎn)，好讓大家在真正動(dòng)手實(shí)踐時(shí)少踩坑!(注意：電源的指標(biāo)我們先不用定的太高，只需要設(shè)計(jì)一個(gè)輸入直流、輸出直流具有恒壓功能的DC-DC電源即可。)

1)對(duì)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)》。

圖3 Buck電路原理圖

2)輸入輸出濾波電路，這一塊就輕松點(diǎn)了。明白電解電容的耐壓值要高于接入的電壓才不會(huì)爆炸，要想濾波效果好就得多個(gè)電容并聯(lián)，且要電解電容和瓷片電容一起用，因?yàn)榇善娙莸母哳l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(duì)于控制電路，如果使用專用的開(kāi)關(guān)電源芯片那么就按參考芯片手冊(cè)給出的典型電路。如果采用的是微處理器，那么需要會(huì)C語(yǔ)言，懂得操作單片機(jī)控制其管腳輸出PWM波，以及MOS管的驅(qū)動(dòng)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：

圖4 分壓采樣電路

圖中OP97主要起到保護(hù)后級(jí)電路的作用。若沒(méi)有OP97，直接將N點(diǎn)連接至后級(jí)電路，當(dāng)輸出電壓突然過(guò)高，N點(diǎn)電壓有可能超過(guò)后級(jí)電路的可承受電壓，從而燒毀AD轉(zhuǎn)換器或者其他后級(jí)電路。若存在OP97，那么出現(xiàn)N點(diǎn)電壓過(guò)高，OP97將達(dá)到飽和區(qū)，輸出電壓被限制在工作電壓而不會(huì)出現(xiàn)燒毀后級(jí)電路的情況。

5)對(duì)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(kāi)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(lái)做，主電路自己用MOS管來(lái)搭建，輔助電源部分使用相關(guān)的開(kāi)關(guān)電源芯片，例如ADI的ADP2360、LTC3309。

用集成的開(kāi)關(guān)電源芯片來(lái)做的話，需要自己制作的部分很少很少，只需按照芯片手冊(cè)添加幾個(gè)電阻、電容、電感即可。如果使用微控制器來(lái)做的話，那么主電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)芯片、輔助電源芯片都需要自己來(lái)設(shè)計(jì)和選型，學(xué)起來(lái)才深刻。

起來(lái)看幾個(gè)實(shí)際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎?這個(gè)電源居然沒(méi)有瞬變?yōu)V波電路!這是一款低廉的“山寨”電源。請(qǐng)注意，看看電路板上的標(biāo)記，瞬變?yōu)V波電路本來(lái)應(yīng)該有才對(duì)，但是卻被喪失良知的黑心JS們帶到了市場(chǎng)里。

這款低廉的“山寨”電源沒(méi)有瞬變?yōu)V波電路

再看圖10實(shí)物所示，這是一款具備瞬變?yōu)V波電路的低端電源，但是正如我們看到的那樣，這款電源的瞬變?yōu)V波電路省去了重要的MOV壓敏電阻，而且只有一個(gè)鐵素體線圈;不過(guò)這款電源配備了一個(gè)額外的X電容。

低端電源的EMI電路

瞬變?yōu)V波電路分為一級(jí)EMI和二級(jí)EMI，很多電源的一級(jí)EMI往往會(huì)被安置在一個(gè)獨(dú)立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級(jí)EMI則被安置在電源的主PCB板上，如下圖所示：

一級(jí)EMI配備了一個(gè)X電容和一個(gè)鐵素體電感。

再看這款電源的二級(jí)EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位置有點(diǎn)奇怪，位于第二個(gè)鐵素體的后面?？傮w而言，應(yīng)該說(shuō)這款電源的EMI電路是非常完整的。

完整的二級(jí)EMI

值得一提的是，以上這款電源的MOV壓敏電阻是黃色的，但是事實(shí)上大部分MOV都是深藍(lán)色的。

此外，這款電源的瞬變?yōu)V波電路還配備了保險(xiǎn)管(圖8中F1所示)。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)管內(nèi)的保險(xiǎn)絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的某個(gè)或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時(shí)更換保險(xiǎn)管的話是沒(méi)有用的，當(dāng)你開(kāi)機(jī)之后很可能再次被燒斷。