開關(guān)方式是用作AC/DC轉(zhuǎn)換電源模塊的最常用方法之一,使用開關(guān)元件的AC/DC轉(zhuǎn)換原理圖如下圖所示:開關(guān)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(chǎn)品。接著通過開關(guān)元件ON/OFF斬波(切分)高DC電壓,并經(jīng)由高頻變壓器,將電能傳送至二次側(cè)。此時的ON/OFF頻率,也就是開關(guān)頻率,使用比輸入AC頻率50/60Hz高出許多的數(shù)十kHz,然后再轉(zhuǎn)換成呈現(xiàn)如圖中的方波AC。
利用二次側(cè)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(zhuǎn)換成設(shè)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(zhuǎn)換成需要的DC電壓時,必須設(shè)定如上圖中的開關(guān)元件控制電路。切分高DC電壓轉(zhuǎn)換成AC,之后再通過整流-平滑,轉(zhuǎn)換成低DC電壓的方法,和一般采用開關(guān)方式轉(zhuǎn)換DC/DC相同。此進一步細分采用開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換的過程,就是先從DC開關(guān)成AC后,再開關(guān)至DC。另外使用3引腳的線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換DC/DC時,就只是單純將DC轉(zhuǎn)換成DC而已。
整流-平滑后以開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換原理,先說明整流AC后再轉(zhuǎn)換成DC的原理,并在之后粗略解說一下采用開關(guān)方式轉(zhuǎn)換DC/DC的原理。
上圖是利用代表性的控制方式PWM(Pulse Width Modulation:脈沖寬度調(diào)制)方式加以降壓的原理。PWM是指讓周期(頻率)保持恒定,調(diào)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(guān)電源、電源模塊等多種應(yīng)用上。采用PWM時,經(jīng)由開關(guān)將DC電壓轉(zhuǎn)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(jīng)由開關(guān)將100VDC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成DC,電壓就會轉(zhuǎn)換成相當于25%的25VDC。
事實上DC/DC轉(zhuǎn)換屬于功率轉(zhuǎn)換,必須提升轉(zhuǎn)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(shè)定值,進行反饋控制,因此脈沖寬度無法保持恒定。
總結(jié):
AC/DC轉(zhuǎn)換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑后,轉(zhuǎn)換成DC,再將該DC轉(zhuǎn)換成高頻率的AC,接著重復(fù)整流-平滑步驟,轉(zhuǎn)換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比,必須重復(fù)AC/DC轉(zhuǎn)換2次,讓人覺得非常復(fù)雜。但優(yōu)點大于缺點,所以近年來采用開關(guān)方式的AC/DC電源模塊日漸增加。
開關(guān)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(wěn)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(cè)的電解電容器、開關(guān)元件(晶體管),全部采用可支持高電壓的產(chǎn)品。必須以數(shù)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(guān)式變壓器,開關(guān)式變壓器的鐵芯一般都是使用鐵氧體。開關(guān)元件基本上使用晶體管,有功率晶體管或開關(guān)晶體管等多種名稱,但則以開關(guān)電源、電源模塊用的高功率MOSFET最為普遍。開關(guān)晶體管必須配合輸出功率選擇適合的規(guī)格,但當輸出功率不大時,就能夠使用內(nèi)置開關(guān)晶體管的控制IC,減少部件數(shù)量。
至于穩(wěn)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(wěn)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(zhuǎn)換用IC。特別是在電路基板上安裝AC/DC電源模塊時,設(shè)計電路上以AC/DC轉(zhuǎn)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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