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[導讀]想要成為一名合格的硬件工程師,熟練掌握電源知識至關重要。

想要成為一名合格的硬件工程師,熟練掌握電源知識至關重要——
凡是在工作着的系統都必須要有電源,而電源是否可靠穩定的運行,則影響着整個系統的工作情況。那麼,如何產生“乾淨”的電源?假設自己DIY一個開關電源的難度有多大,需具備哪些知識呢?

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彆着急,我們一步步來,先了解開關電源的定義

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關電源。從簡化的圖形上看,(a)線性電源隨着調整管的大小而輸出呈現一個線性的變化,(b)中可以看出開關電源的工作原理。為什麼叫開關電源?簡單的説開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開通和關斷的時間比率,維持穩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化,讓大家非常清楚的知道兩者本質區別之外,開關電源與線性電源還有如下區別: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(放大區),而開關電源的功率管工作在開關狀態(飽和區及截至區);2) 效率不同。線性電源的功率管是一個可變電阻那麼就不可避免的需要消耗電能,而開關電源功率管工作在開關狀態從而它的效率比較高,一般都在90%以上;3) 紋波不同。線性電源沒有開關動作從而紋波噪聲小,相反開關電源紋波噪聲就較大;4) 開關電源體積較小,功率大。線性電源的功率管消耗電能因而發熱量較大需要加配較大散熱片,開關電源的功率管工作在開關狀態產生的熱損耗要小得多。

明確開關電源的概念後,再來看開關電源的構成

圖2 開關電源基本組成如圖2所示,開關電源的工作原理是:輸入電壓經過濾波之後,被主電路轉換為脈衝電壓,脈衝電壓再經過輸出端濾波後得到輸出電壓。同時輸出端設置採樣電路對輸出電壓進行採樣反饋給控制電路,控制電路通過PWM調製控制主電路的狀態從而達到電壓穩定輸出。基本組成中的各部分都承擔着重大作用:輸入濾波:將輸入端的電網雜波濾除,阻礙本機產生的雜波反饋到電網;主電路:承擔電壓變換的主要角色,將輸入濾波後的電壓轉化為高頻的直流脈衝電壓;輸出濾波:濾除主電路中開關管產生的高頻雜波,輸出穩定的電壓;採樣電路:對輸出電壓、電流進行採樣;控制電路:取得采樣電流採集的數據與參考數據進行比較併產生控制信號控制主電路,以達到反饋控制的目的;輔助電源:提供控制迴路的工作電壓。

搞清楚概念和原理之後,補充製作最簡單開關電源必備知識
很多同學最初DIY時,都逃不過炸電容,燒芯片,廢MOS管….迷茫的翻閲《電力電子技術》書籍,學習什麼是Buck?什麼是Boost?什麼是半橋?小心翼翼的焊板子,製作數控電源等。DIY的樂趣就在於此,接下來,我們提前儲備一下開關電源的製作的必備知識點,好讓大家在真正動手實踐時少踩坑!(注意:電源的指標我們先不用定的太高,只需要設計一個輸入直流、輸出直流具有恆壓功能的DC-DC電源即可。1)對於主電路,需要懂得Buck電路,如下圖3所示。理解其工作原理,知道PWM(脈寬調製)控制其輸出電壓,建議大家參考一下《電力電子技術》。

圖3 Buck電路原理圖2)輸入輸出濾波電路,這一塊就輕鬆點了。明白電解電容的耐壓值要高於接入的電壓才不會爆炸,要想濾波效果好就得多個電容並聯,且要電解電容和瓷片電容一起用,因為瓷片電容的高頻特性好,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定。
3)對於控制電路,如果使用專用的開關電源芯片那麼就按參考芯片手冊給出的典型電路。如果採用的是微處理器,那麼需要會C語言,懂得操作單片機控制其管腳輸出PWM波,以及MOS管的驅動電路。4)採樣這一部分需要懂得電阻分壓採樣,電路圖如下圖所示:

圖4 分壓採樣電路圖中OP97主要起到保護後級電路的作用。若沒有OP97,直接將N點連接至後級電路,當輸出電壓突然過高,N點電壓有可能超過後級電路的可承受電壓,從而燒燬AD轉換器或者其他後級電路。若存在OP97,那麼出現N點電壓過高,OP97將達到飽和區,輸出電壓被限制在工作電壓而不會出現燒燬後級電路的情況。5)對於輔助電源,可以直接使用相關的電源芯片(如果控制電路使用的是集成開關電源芯片,那麼芯片內部一般都將輔助電源集成在了內部)。6)我們建議大家控制部分使用微控制器來做,主電路自己用MOS管來搭建,輔助電源部分使用相關的開關電源芯片,例如ADI的ADP2360、LTC3309。用集成的開關電源芯片來做的話,需要自己製作的部分很少很少,只需按照芯片手冊添加幾個電阻、電容、電感即可。如果使用微控制器來做的話,那麼主電路、採樣電路、驅動芯片、輔助電源芯片都需要自己來設計和選型,學起來才深刻。END
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