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[導(dǎo)讀]今天我們一起學(xué)習(xí)降壓型開關(guān)電源。為什么需要開關(guān)電源在之前的?線性穩(wěn)壓器教程?中,我們學(xué)習(xí)了L7805等線性穩(wěn)壓器的使用。它們使用起來很簡單,但是效率低下。例如,如果您嘗試用26伏電壓為線性穩(wěn)壓器供電,并且輸出電壓為5伏電流為3安培,則最終會產(chǎn)生63瓦的熱量。如此巨大的能量浪費是不...

今天我們一起學(xué)習(xí)降壓型開關(guān)電源。

為什么需要開關(guān)電源

在之前的?線性穩(wěn)壓器教程?中,我們學(xué)習(xí)了 L7805 等線性穩(wěn)壓器的使用。它們使用起來很簡單,但是效率低下。

例如,如果您嘗試用 26 伏電壓為線性穩(wěn)壓器供電,并且輸出電壓為 5 伏 電流為 3 安培,則最終會產(chǎn)生 63 瓦的熱量。如此巨大的能量浪費是不可接受的。

對于大功率項目,你希望使用所謂的開關(guān)電源。有各種不同類型的開關(guān)電源,可以讓你將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。

本文主要討論降壓型(Buck or Step-down)開關(guān)電源。它是一種可以將較高電壓降低到較低電壓的電源。

原理

讓我們先從一個簡單的電路開始。電路由一個 10 伏的直流電源串聯(lián)一個開關(guān)組成。

開關(guān)是什么并不重要。它可以是雙極性晶體管,MOS 管,甚至可以是瘋狂推動機械開關(guān)的瘋子。


出于效率原因,開關(guān)應(yīng)該使用場效應(yīng)(MOS)管。但現(xiàn)在我們在電路中還是用通用開關(guān)符號。接下來讓我們用占空比為 50% 的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號來控制開關(guān)的斷開和閉合。

這會給我們輸出一個一個占空比為 50% 的方波,一半時間為 10 伏,一半時間為 0 伏,這樣平均電壓就是 5 伏。

現(xiàn)在讓我們添加一個 LC 低通濾波器。電感抵抗電流的突變,電容抵抗電壓的突變。綜合效果是我們的 LC 低通濾波器抹平了方波,我們在輸出上獲得了 5 伏的相對穩(wěn)定的直流電。

但是上面這個電路有個問題。假設(shè)開關(guān)已閉合,我們的電源正在輸送一些電流。這意味著電流正流過這個電感器。

現(xiàn)在讓我們斷開開關(guān)。由于電感中的電流不能立即改變,這意味開關(guān)斷開的一小段時間內(nèi)仍然有電流流過電感。

但是電感左側(cè)沒有接任何器件,所以在這里積累大量帶負電荷的電子(電子的流動的方向是和傳統(tǒng)電流方向相反的)。從而產(chǎn)生一個巨大的負電壓毛刺。

這種電壓毛刺可以達到數(shù)百甚至數(shù)千伏。


如此巨大的負電壓毛刺足以燒毀連接在此處的任何開關(guān)。如果您想了解有關(guān)這種現(xiàn)象的更多信息,請查看我另一篇文章:電感毛刺。在那篇文章中,提到了一個解決辦法,就是添加一個二極管。二極管就位后,現(xiàn)在無論何時斷開開關(guān),電流都可以在一個完整的路徑中流動,并且開關(guān)后的電壓幾乎不會低于零,因為二極管的存在,電感左側(cè)電壓最多比接地低 0.7 伏(二極管壓降電壓),肖特基二極管會更低。

下圖是經(jīng)典的降壓型開關(guān)電源電路,你可以使用這個基本電路以比線性穩(wěn)壓器(Linear Voltage Regulator)更有效的方式將高電壓直流電降低到電壓較低的直流電。

使用 Arduino 搭建

我們使用 Arduino 搭建一個降壓型直流電源(Buck Converter)。這個電路僅用來學(xué)習(xí)降壓型開關(guān)電源的作用,不具有實際用途。Arduino 可以輸出方波(PWM), 我們可以利用它輸出的方波作為控制信號,在面包上搭建一個簡單的降壓型開關(guān)電源。

無反饋

我們使用 P溝道場效應(yīng)管 IRF9540 來開關(guān)主電源,這里我使用可調(diào)電源輸出的 12 伏電壓。因為 Arduino 的驅(qū)動能力不足,不足以直接驅(qū)動 IRF9540, 我們使用一個 NPN 型BJT 晶體管 S8050 來驅(qū)動 IRF9540。我們編程讓 Arduino 輸出 31 k 赫茲的控制方波。旋轉(zhuǎn)電位器可以改變輸出方波的占空比。這樣,當(dāng) Arduino D3 腳輸出高電平時,三接管導(dǎo)通,拉低 N 溝道場管的門級(G),場管導(dǎo)通;當(dāng) D3 輸出低電平時,三極管斷開,場管門級為高電平,場管關(guān)斷。電位器一個引腳接在 Arduino 的 5V 引腳上,一個引腳接地,這樣電位器中間引腳可以輸出 0~5伏電壓。A0 引腳: 接可調(diào)電位器的中間引腳。用于調(diào)節(jié)方波的占空比。D3 引腳:輸出 31k 赫茲的控制方波,用于控制開關(guān) IRF9540 的關(guān)斷。


/*
* 這是用 arduino 制作的降壓型開關(guān)電源的示例代碼。
* 我們使用 Aruino Uno. Nano 也是可以的。
* D3 引腳輸出控制方波
* No feedback is connected here.
*/

int potentiometer = A0; // 接可調(diào)電阻中間引腳
int PWM = 3;

void setup() {
pinMode(potentiometer, INPUT);
pinMode(PWM, OUTPUT);
// 引腳3和11, 輸出PWM 方波 頻率:31372.55 Hz
TCCR2B = TCCR2B
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