電源按照轉(zhuǎn)換原理分類,可分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源。我們對(duì)電源進(jìn)行線性電源和開(kāi)關(guān)電源分類的時(shí)候,其實(shí)要明確是AC/DC還是DC/DC。雖然這個(gè)分類是為了區(qū)分轉(zhuǎn)化的原理。但是實(shí)現(xiàn)AC/DC功能的線性電源和開(kāi)關(guān)電源,都是完整的交流轉(zhuǎn)化為直流的過(guò)程嗎,其中有些電路的一部分就是由DC/DC組成的。
AC/DC的線性電源與開(kāi)關(guān)電源
有很多的課本、書籍、文章,直接會(huì)把線性電源特指“AC/DC的線性電源”, 什么是線性電源?線性電源(Linear power supply)是先將交流電經(jīng)過(guò)變壓器降低電壓幅值,再經(jīng)過(guò)整流電路整流后,得到脈沖直流電,后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。
AC/DC的線性電源和開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)區(qū)別如下:
AC/DC的線性電源先用工頻變壓器進(jìn)行交流電降壓,然后對(duì)其進(jìn)行整流。通過(guò)變壓器降壓后電壓已經(jīng)比較低了,可以使用三端穩(wěn)壓器等電源芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。線性電源的調(diào)整管工作在放大狀態(tài),因而發(fā)熱量大,效率低(與壓降多少有關(guān)),需要加體積龐大的散熱片。工頻變壓器體積也相對(duì)比較大,當(dāng)要制作多組電壓輸出時(shí),變壓器體積會(huì)更大。
AC/DC開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài),因而發(fā)熱量小,效率高。AC/DC開(kāi)關(guān)電源省掉了大體積的工頻變壓器。但AC/DC開(kāi)關(guān)電源輸出的直流上面會(huì)疊加較大的紋波,在輸出端并接穩(wěn)壓二極管有可能可以改善,另外由于開(kāi)關(guān)管工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰脈沖干擾,也需要在電路中串連磁珠加以改善。相對(duì)而言線性電源的紋波可以做得很小。開(kāi)關(guān)電源通過(guò)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn),降壓、升壓、升降壓,而線性電源只能實(shí)現(xiàn)降壓。
早期很多電源適配器都比較重,其轉(zhuǎn)換原理就是AC/DC線性電源,其內(nèi)部用的是工頻變壓器。AC/DC線性電源是先用變壓器把交流電壓進(jìn)行降壓,這種直接在市電進(jìn)行降壓的變壓器,我們稱為工頻變壓器,如圖1.9所示。工頻變壓器也稱作低頻變壓器,以示與開(kāi)關(guān)電源用高頻變壓器有區(qū)別,工頻變壓器在過(guò)去傳統(tǒng)的電源中大量使用。工頻電力工業(yè)的市電標(biāo)準(zhǔn)頻率,一般也稱作市電(“市電”是指:城市里主要供居民使用的電源)頻率,在我國(guó)是50Hz,其他國(guó)家也有60Hz的。可以改變這個(gè)頻率交流電的電壓的變壓器,就是叫工頻變壓器了。工頻變壓器相對(duì)于高頻變壓器,一般體積比較大。所以有工頻變壓器實(shí)現(xiàn)的AC/DC線性電源體積也就比較大。
工頻變壓器
下圖是典型的線性電源電路圖,實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流的電源,市電交流220V經(jīng)過(guò)變壓器、整流器、電容濾波,由線性穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)需要的輸出電壓,實(shí)例中實(shí)現(xiàn)+5V和-5V兩個(gè)直流的輸出。
典型的線性電源電路圖
60年代開(kāi)始,由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了高反壓的晶體管,從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸出一個(gè)高壓直流,作為電源轉(zhuǎn)換電路的輸入,不再需要工頻變壓器降壓了,從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)電源。省掉了工頻變壓器,又使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。下圖是一個(gè)典型的單端輸出反激式開(kāi)關(guān)電源的功率部分原理圖。
典型的單端輸出反激式開(kāi)關(guān)電源的功率部分原理圖
交流/直流開(kāi)關(guān)電源是需要先對(duì)交流電源進(jìn)行整流濾波形成一個(gè)近似的直流高壓,然后再通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管,產(chǎn)生高頻的脈沖,通過(guò)變壓器進(jìn)行變壓。交流/直流開(kāi)關(guān)電源效率更高,體積更小。體積小的一個(gè)重要原因是高頻變壓器比工頻變壓器體積小很多。為什么頻率越高,變壓器體積越小?
變壓器鐵心材料都有飽和限制,所以磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值都有限制。而交流電的電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量都是正弦信號(hào)。我們知道,同樣幅度的正弦信號(hào),頻率越高,信號(hào)的“變化率”的峰值也越大(正弦信號(hào)過(guò)零的瞬間是“變化率”的峰值,而信號(hào)峰值時(shí)變化率是0)。同時(shí),感生電壓又是由磁通量的變化率決定的。所以,同樣的每匝電壓,頻率越高,需要的磁通量的峰值,就可以越小。但是上面已經(jīng)說(shuō)過(guò),磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值是有限制的。故磁通量要求小了,鐵芯的橫截面積就可以小。上面的分析,是假定同樣的每匝電壓。而每匝電壓這就和功率有關(guān)了。因此,也就是假定同樣的功率。假如功率小一些,電流也就小一些,允許的導(dǎo)線細(xì)一些,電阻稍大一些,就允許增加匝數(shù),這樣,每匝的電壓也就減小了,同樣可以減小磁通量的要求。進(jìn)而減小體積。還有,上面的分析,是假定材料一定,即飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度一定。當(dāng)然,如果采用了具有更高飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的材料,也可以減小體積的。我們知道,現(xiàn)在的變壓器,和幾十年前的同樣規(guī)模變壓器相比,現(xiàn)在的體積要小得多,就是因?yàn)楝F(xiàn)在采用了新型鐵芯材料。
根據(jù)麥克斯韋方程,變壓器線圈內(nèi)的感生電動(dòng)勢(shì)E為
也就是磁通密度B隨時(shí)間的變化率在N個(gè)面積為Ac的線匝的積分。
對(duì)于變壓器,變壓器原邊的感生電動(dòng)勢(shì)E與輸入側(cè)加的電壓U可以認(rèn)為是線性關(guān)系。變壓器輸入側(cè)的U幅值不變的前提下可以認(rèn)為E幅值也不變。
此外,每種磁芯的磁通密度B會(huì)有一個(gè)上限,高頻用的鐵氧體大約在零點(diǎn)幾特斯拉,工頻用的鐵芯大約在略大于一的水平,差距不是很大。
因此,當(dāng)頻率提高后,在磁通密度B峰值變化不大的前提下,每個(gè)周期內(nèi)的磁通密度變化率dB/dt是大幅增加的,因此可以用更小的Ac或N實(shí)現(xiàn)相同的感生電動(dòng)勢(shì)E。Ac減小,意味著磁芯截面面積減小;N減小,意味著可以縮小磁芯空窗的面積,兩者都可以幫助實(shí)現(xiàn)更小的磁芯體積。高頻變壓器的橫截面積更小,線圈的匝數(shù)變少,這樣它的體積也就更小了。
開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截至狀態(tài),因而發(fā)熱量小,效率高。AC/DC開(kāi)關(guān)電源不需要使用大體積的工頻變壓器。但開(kāi)關(guān)電源輸出的直流上面會(huì)疊加較大的紋波,另外由于開(kāi)關(guān)管工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰脈沖干擾,也需要在電路中對(duì)電源進(jìn)行濾波加以改善電源的質(zhì)量。相對(duì)而言線性電源就沒(méi)有以上缺陷,它的紋波可以做的很小。
DC/DC的線性電源與開(kāi)關(guān)電源
幾乎所有電子相關(guān)專業(yè)的同學(xué),接觸最早的一個(gè)穩(wěn)壓電源,也是最簡(jiǎn)單的一種穩(wěn)壓電源,就是三端穩(wěn)壓器,也是一種線性電源。
常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78XX系列和負(fù)電壓輸出的79XX系列。
三端穩(wěn)壓器是指這種可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電壓輸出的集成電路,只有三條引腳輸出,分別是輸入端、接地端和輸出端。經(jīng)常在有些電路實(shí)驗(yàn)課程中,它的樣子像是三極管,一般為TO-220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝,也有TO-92封裝,如圖所示。這種大封裝的三端穩(wěn)壓器,可以實(shí)現(xiàn)大功率。
用78/79系列三端穩(wěn)壓器來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路,使用起來(lái)可靠、方便,而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓,如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槭褂梅奖悖?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/168/" target="_blank">電子制作中經(jīng)常采用,這也誤導(dǎo)了很多剛畢業(yè)的工程師喜歡使用三端穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源。
這種三端穩(wěn)壓器是線性電源的一種。線性電源的基本原理就是:電阻分壓,只不過(guò)有一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的電阻。不管是線性電源還是開(kāi)關(guān)電源都是輸出電壓負(fù)反饋。只不過(guò)線性電源通過(guò)一個(gè)三極管處于一個(gè)放大區(qū),等效于一個(gè)可以變化阻值的電阻,對(duì)輸出負(fù)載進(jìn)行分壓。通過(guò)輸出電壓分壓后反饋,來(lái)控制三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)壓。
線性電源的優(yōu)點(diǎn)有:
①輸出電壓的精度較高
② 輸出電壓紋波低,幾個(gè)uV甚至更低
③ 沒(méi)有開(kāi)關(guān)的跳變EMI比較小
④ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
⑤ 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,穩(wěn)壓性能好
線性電源的缺點(diǎn)有:
①損耗大,效率低
② 只能實(shí)現(xiàn)降壓
③ 散熱器的體積大,重量大
④ 輸入輸出電壓范圍適應(yīng)性差
其實(shí)我們?cè)诮榻BAC/DC線性電源和開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候,我們可以發(fā)現(xiàn),其實(shí)都是將交流電源通過(guò)整流濾波變成直流信號(hào),然后再利用“直流轉(zhuǎn)直流”的線性電源或者開(kāi)關(guān)電源變換成我們期望的電壓輸出。只不過(guò)AC/DC的開(kāi)關(guān)電源會(huì)有隔離的需求,我們會(huì)選擇隔離電源,利用變壓器實(shí)現(xiàn)隔離,并且利用變壓器的匝數(shù)比進(jìn)行降壓。
線性電源:采用調(diào)整管工作在線性區(qū)的方式,通過(guò)控制壓差實(shí)現(xiàn),后級(jí)電路進(jìn)行穩(wěn)壓,沒(méi)有開(kāi)關(guān)噪聲,輸入與輸出不能隔離。只能用于降壓,同時(shí)存在損耗,功耗大時(shí)溫度會(huì)逐步升高,一般用于功耗不大的應(yīng)用。
開(kāi)關(guān)電源:采用開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的方式,損耗一般較低,輸入與輸出能夠隔離,可以實(shí)現(xiàn)升壓和降壓、升降壓的電路。存在開(kāi)關(guān)噪聲。電路相比于線性電源更復(fù)雜一些。
那么開(kāi)關(guān)電源為什么發(fā)展越來(lái)越好,在各個(gè)領(lǐng)域逐步替代線性電源的比例越來(lái)越高呢?開(kāi)關(guān)電源與線性電源的區(qū)別,也是經(jīng)常被問(wèn)及的問(wèn)題。對(duì)于直流轉(zhuǎn)直流的線性電源和開(kāi)關(guān)電源的對(duì)比,如表1.2所示:
表 1.2線性電源與開(kāi)關(guān)電源的對(duì)比
?
? | 線性電源 | 開(kāi)關(guān)電源 |
輸入輸出電壓的關(guān)系 | 降壓 | 降壓、升壓、升降壓 |
相應(yīng)時(shí)間 | 快 | 慢 |
效率 | 低 | 高 |
噪聲 | 低 | 高 |
成本 | 低功率有優(yōu)勢(shì) | 高功率有優(yōu)勢(shì) |
是否可以隔離 | 不可以 | 可以 |
?
開(kāi)關(guān)電源的效率計(jì)算比較復(fù)雜,實(shí)測(cè)出來(lái)也是一個(gè)曲線:
我們可以看到開(kāi)關(guān)電源在輕載的時(shí)候和重載的時(shí)候效率比較低,在輸入電壓和輸出電壓的壓差大的時(shí)候效率更低。具體的計(jì)算過(guò)程,我們?cè)诤罄m(xù)進(jìn)行介紹。
一般情況下,相比于輸出功率,線性電源自身的基準(zhǔn)電壓源、放大器、取樣等電路消耗的功率比較小,工程實(shí)現(xiàn)時(shí)經(jīng)常忽略不計(jì),即可以認(rèn)為線性電源的輸入電流和輸出電流大致相等,而線性電源自身的功耗可以認(rèn)為就是調(diào)整管上的功耗。線性電源的本質(zhì)是一個(gè)電阻分壓,所以我們可以直接用公式計(jì)算損耗功率及效率:
審核編輯:湯梓紅
評(píng)論
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