DIY一個(gè)數(shù)控開(kāi)關(guān)電源,你需要掌握這些知識(shí)
發(fā)布時(shí)間:2019-11-22 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】想要成為一名合格的硬件工程師,熟練掌握電源知識(shí)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(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?。ㄗ⒁猓弘娫吹闹笜?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。
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