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  • AC/DC電源基礎知識詳解(3)-開關方式
    • 發布時間:2020-12-24 18:05:30
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    AC/DC電源基礎知識詳解(3)-開關方式
    開關方式是用作AC/DC轉換電源模塊的最常用方法之一,使用開關元件的AC/DC轉換原理圖如下圖所示:開關方式為一開始先用橋式二極器,整流100VAC,橋式二極管必須能夠承受高電壓。100VAC的峰值約140V左右,再以電容器使其平滑,同樣使用高電壓產品。接著通過開關元件ON/OFF斬波(切分)高DC電壓,并經由高頻變壓器,將電能傳送至二次側。此時的ON/OFF頻率,也就是開關頻率,使用比輸入AC頻率50/60Hz高出許多的數十kHz,然后再轉換成呈現如圖中的方波AC。
    AC/DC電源
    利用二次側的整流二極管,整流該高頻率AC電壓,接著以電容器使其平滑后,再轉換成設定的DC輸出電壓。圖片中省略了高頻率AC電壓的整流波形,但它是使用1個二極管的半波整流。轉換成需要的DC電壓時,必須設定如上圖中的開關元件控制電路。切分高DC電壓轉換成AC,之后再通過整流-平滑,轉換成低DC電壓的方法,和一般采用開關方式轉換DC/DC相同。此進一步細分采用開關DC/DC轉換的過程,就是先從DC開關成AC后,再開關至DC。另外使用3引腳的線性穩壓器轉換DC/DC時,就只是單純將DC轉換成DC而已。
    整流-平滑后以開關DC/DC轉換原理,先說明整流AC后再轉換成DC的原理,并在之后粗略解說一下采用開關方式轉換DC/DC的原理。
    AC/DC電源
    上圖是利用代表性的控制方式PWM(Pulse Width Modulation:脈沖寬度調制)方式加以降壓的原理。PWM是指讓周期(頻率)保持恒定,調整ON和OFF的時間比,也就是占空比來進行控制的方法,能運用在開關電源、電源模塊等多種應用上。采用PWM時,經由開關將DC電壓轉換成達到必要占空比的AC后,接著再進行整流回到DC,以取得想要的DC電壓。例如經由開關將100VDC轉換成周期25%ON、剩下OFF的25:75的AC。接著,整流-平滑該AC,也即將其均勻化后轉換成DC,電壓就會轉換成相當于25%的25VDC。
    事實上DC/DC轉換屬于功率轉換,必須提升轉換效率,雖然不必如圖片般配置,但仍須遵照其原理。此外,負載電流如果增加,電壓就會下降,反之,必須增加控制電路的脈沖寬度,并將電壓返回到設定值,進行反饋控制,因此脈沖寬度無法保持恒定。
    總結:
    AC/DC轉換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑后,轉換成DC,再將該DC轉換成高頻率的AC,接著重復整流-平滑步驟,轉換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比,必須重復AC/DC轉換2次,讓人覺得非常復雜。但優點大于缺點,所以近年來采用開關方式的AC/DC電源模塊日漸增加。
    AC/DC電源
    開關方式AC/DC電源模塊使用元件和安裝例子如上圖所示:將輸出電壓反饋至PWM控制電路上,借此穩定控制。元件和上一篇所講的變壓器方式相似,但橋式二極管、一次側的電解電容器、開關元件(晶體管),全部采用可支持高電壓的產品。必須以數十kHz的高頻率才能工作的變壓器,我們稱為高頻變壓器或開關式變壓器,開關式變壓器的鐵芯一般都是使用鐵氧體。開關元件基本上使用晶體管,有功率晶體管或開關晶體管等多種名稱,但則以開關電源、電源模塊用的高功率MOSFET最為普遍。開關晶體管必須配合輸出功率選擇適合的規格,但當輸出功率不大時,就能夠使用內置開關晶體管的控制IC,減少部件數量。
    至于穩定輸出電壓的控制電路,可以使用晶體管和運算放大器等單獨的元件組成電路。除了正確、穩定控制外,也開始提供各種保護功能,因此愈來愈多電源模塊采用AC/DC轉換用IC。特別是在電路基板上安裝AC/DC電源模塊時,設計電路上以AC/DC轉換器用IC為中心會較為實際。另外該電路的控制IC是安裝在基板背面下方正中央旁邊,雖然SOP8是非常小的封裝,但除了控制功能外,還具備了多種保護功能。
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