經(jīng)典指南:你真的了解開(kāi)關(guān)電源嗎?
“我想DIY開(kāi)關(guān)電源,要具備哪些理論知識、實(shí)踐技能和工程素質(zhì)???”
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201612/326897.htm“如何從給定的設計規格設計出開(kāi)關(guān)電源?具體步驟是什么?”
“開(kāi)關(guān)電源中的電感、變壓器怎么自己制作?控制芯片如何選型?”
“如何選擇磁芯外形、變頻器類(lèi)型、工作頻率、計算各種參數呢?”
“如何進(jìn)行優(yōu)化和折中?”
……
電源是一切電子設備的心臟,沒(méi)有電源,電子設備就不可能工作。雖然市面上有很多介紹開(kāi)關(guān)電源的書(shū)籍,但仍然缺少快速入門(mén)及經(jīng)驗總結類(lèi)的資料,所以,盡管資料豐富,但還是有很多人不知道怎樣利用。當然這篇文檔只是入門(mén)介紹,深入研究還要看其他專(zhuān)著(zhù)。
從電網(wǎng)得到的交流電或由電池取得的直流電是隨環(huán)境溫度、時(shí)間和負載所變化的,它們不能直接成為電子設備所需的內部電源。電子設備由于要完成許多高級的功能,對其供電電源的精度隨環(huán)境的變化,動(dòng)態(tài)響應能力,還有很多其他的指標都有非常高的要求。將電網(wǎng)或電池的一次電能轉換為符合電子設備要求的二次電能,這樣的變換設備就是我們這里要講的電源。
隨著(zhù)片狀電子元件、表面安裝技術(shù)及大規模集成電路的發(fā)展,電子產(chǎn)品越來(lái)越小型化、輕型化,如何縮小電源的體積減輕重量,提高電源的轉換效率,增強對電網(wǎng)電壓的適應性,是人們致力于研究的重點(diǎn)。
一個(gè)比較好的解決方案是:以輕巧的高頻變壓器取代笨重的工頻變壓器,采用脈沖調制技術(shù)的直流--直流變換器型穩壓電源,即我們馬上就要講到的開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)關(guān)電源具有管耗小、效率高、穩壓范圍寬及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),目前已在各種電子儀器和設備、航空和宇宙飛行器、發(fā)射機、電子計算機、通訊設備和電視機、錄放像機等中得到了廣泛應用。
開(kāi)關(guān)電源按變換方式可分為以下四大類(lèi):
1、AC/DC 開(kāi)關(guān)電源
2、DC/DC 開(kāi)關(guān)電源
3、DC/AC 逆變器
4、AC/AC 變頻器
目前只將前面兩類(lèi)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源,將后面兩類(lèi)分別稱(chēng)為逆變器和變頻器。
開(kāi)關(guān)電源按應用方式可分為以下三大類(lèi):
1、外置電源
與設備分開(kāi)放置的電源模塊或電源系統,如:
---通信用一次電源模塊和系統
---電力操作電源模塊和系統
---手機電池充電器
---筆記本電腦的Adapter
---各類(lèi)手提設備、便攜設備的電池充電器等等
2、內置電源
放在設備內部的電源模塊或電源系統,如:
---計算機內部的SilverBox和VRM
---家電(如:普通電視機、等離子電視機、液晶電視機)內部的供電電源
---工業(yè)控制設備內部的電源
---儀器中使用的電源
---通信設備內部的電源模塊和系統
---復印機、傳真機、打印機等的內部電源等等
3、板上電源
放在設備內單板上的電源模塊,如:
---標準磚類(lèi)電源(全磚、半磚、1/4磚、1/8磚)
---非隔離POL(Point of Load 負載點(diǎn))變換器
---VRM(Voltage regulator module電壓調節模塊)和VRD(Voltage regulator down)
---小功率SMD電源
---SIP和DIP電源等等
開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品所需要的基本技能:
1、認識組成開(kāi)關(guān)電源的所有元器件
2、掌握各種元器件的電氣性能和電路符號
3、會(huì )自己制作各種磁芯元件
4、會(huì )正確裝配電源中的各個(gè)部分
5、了解電源各項指標的意義并掌握如何測試的方法
6、會(huì )使用儀器對裝配后的電源進(jìn)行正確的調試,優(yōu)化和折中
7、會(huì )對獲得的實(shí)驗結果進(jìn)行分析,并進(jìn)行總結
8、會(huì )從不同渠道不斷地學(xué)習電源知識并能夠和別人交流
開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品所需要的專(zhuān)業(yè)理論知識:
1、有源PFC的拓撲分析,控制與設計
2、DC/DC功率變換器的拓撲與穩態(tài)分析
3、開(kāi)關(guān)電源的功率級參數設計
4、開(kāi)關(guān)電源的控制與動(dòng)態(tài)分析
5、開(kāi)關(guān)電源的小信號分析與設計
6、開(kāi)關(guān)電源的大信號分析與設計
7、開(kāi)關(guān)電源的EMI分析與設計
8、開(kāi)關(guān)電源的熱分析與設計
9、開(kāi)關(guān)電源的容差分析與設計
10、開(kāi)關(guān)電源的各種保護技術(shù)
11、開(kāi)關(guān)電源的同步整流技術(shù)
12、開(kāi)關(guān)電源的模塊均流控制技術(shù)
有些技術(shù)很成熟了,只要查表或者使用現成電路或專(zhuān)用芯片就可以做好。EMI比較困難,因為元件特性會(huì )變化。
ATX電源
一個(gè)非常容易找到的開(kāi)關(guān)電源就是PC機里用的ATX電源了。拆開(kāi)電源可以看到里面的構造:
1、220V 50HZ交流輸入
2、保險管
3、交流互感濾波(對高于50HZ高次諧波濾波,避免對后面電路的高頻干擾)
4、二極管橋式整流電路
5、濾波電容
6、開(kāi)關(guān)管
7、開(kāi)關(guān)變壓器
8、輔助電源(為電源監控部件、保護電路、控制電路等電路供電。)
9、開(kāi)關(guān)激勵脈沖形成電路(集成電路TL494和LM339比較器,開(kāi)關(guān)振蕩穩壓控制,控制開(kāi)關(guān)管)
10、光耦/激勵變壓器(將激勵脈沖送到開(kāi)關(guān)管的橋梁)
11、高頻濾波電感和電容(濾除高次諧波)
12、直流電壓輸出
ATX接口定義:(有防插反缺口)
ATX主板電源接口
+3.3VDC +3.3VDC COM +5VDC COM +5VDC COM PWR_OK +5VSB +12VDC
+3.3VDC -12VDC COM PS_ON# COM COM COM -5VDC +5VDC +5VDC
硬盤(pán)、光驅電源接口
+12VDC COM COM +5VDC
軟驅電源接口
+5VDC COM COM +12VDC
AUX電源接口
COM COM COM +3.3VDC +3.3VDC +5VDC
p4主板12V電源接口
COM COM
+12VDC +12VDC
ATX采用顏色區分,僅憑顏色就可以知道電壓值:
白色 -5V
紅色 +5V
黑色 地
黃色 +12V
藍色 -12V
橙色 +3.3V
灰色 POW_OK +5V 開(kāi)機自檢啟動(dòng)信號
紫色 +5VSB 待機電源
綠色 PS_ON# +5V 電源啟??刂?/p>
幾個(gè)控制信號的說(shuō)明:
POW_OK信號(在A(yíng)T電源中及部分電源板上稱(chēng)P.G信號)為微機開(kāi)機自檢啟動(dòng)信號,為了防止開(kāi)機時(shí)各路輸出電路時(shí)序不定,CPU或各部件未進(jìn)入初始化狀態(tài)造成工作錯誤及突然停電時(shí),硬盤(pán)磁頭來(lái)不及移至著(zhù)陸區造成盤(pán)片劃傷,微機電源中均設置了POW_OK信號。
PS_ON#信號:ATX電源最主要的特點(diǎn)就是,它不采用傳統的市電開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源是否工作,而是采用“+5VSB、PS_ON#”的組合來(lái)實(shí)現電源的開(kāi)啟和關(guān)閉,只要控制 “PS_ON#”信號電平的變化,就能控制電源的開(kāi)啟和關(guān)閉。電源中的S-ON控制電路接受PS_ON#信號的控制,當“PS_ON#”小于1V伏時(shí)開(kāi)啟電源,大于4.5伏時(shí)關(guān)閉電源。主機箱面上的觸發(fā)按鈕開(kāi)關(guān)(非鎖定開(kāi)關(guān))控制主板的“電源監控部件”的輸出狀態(tài),同時(shí)也可用程序來(lái)控制“電源監控件”的輸出,如在WIN9X平臺下,發(fā)出關(guān)機指令,使“PS_ON#”變?yōu)椋?V,ATX電源就自動(dòng)關(guān)閉。
+5VSB:待機電源,上電后一直存在,該輸出連接到ATX主板的“電源監控部件”,作為它的工作電壓,使操作系統可以直接對電源進(jìn)行管理。通過(guò)此功能,實(shí)現遠程開(kāi)機,完成電腦喚醒功能。
ATX電源需要短接PS_ON#和COM(即ATX主板電源接口的14腳和15腳短接)才能啟動(dòng)(此時(shí)電源散熱風(fēng)扇轉動(dòng))。
開(kāi)關(guān)電源變壓器設計
開(kāi)關(guān)電源變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的核心部件,作用有三:磁能轉換、電壓變換和絕緣隔離。由于開(kāi)關(guān)變壓器的工作頻率很高,因此它的體積和重量比工頻變壓器大為縮小,同時(shí)變壓器的分布參數亦不能忽略。設計時(shí)需要考慮磁芯材料選擇,磁芯與線(xiàn)圈的結構,繞制工藝等。
開(kāi)關(guān)電源變壓器工作于高頻狀態(tài),分布參數有漏感、分布電容和電流趨膚效應。一般根據開(kāi)關(guān)電源電路設計的要求提出漏感和分布電容限定值,在變壓器的線(xiàn)圈結構設計中實(shí)現,而趨膚效應則作為選擇導線(xiàn)規格的條件之一。
開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作狀態(tài)與開(kāi)關(guān)型功率變換器的電路形式有關(guān),一般根據功率大小,使用要求,采用不同形式的功率變換器。不同的電路形式,開(kāi)關(guān)電源變壓器工作狀態(tài)也不同,對開(kāi)關(guān)電源變壓器也提出了不同的設計要求。
變換器形式有:雙極性(推挽式、全橋式、半橋式),單端正激式,單端反激式等。
開(kāi)關(guān)電源變壓器中使用的是軟磁材料。比如:鐵氧體材料。鐵氧體材料很容易加工成各種形狀,可根據開(kāi)關(guān)變壓器的電路類(lèi)型、使用要求、功率等級、經(jīng)濟指標等選用合適的磁芯形狀。磁芯型號主要有:EE、EI、EC、ETD、G、GK、H、HQ、UY、UF、PM、RM。每種型號又有很多尺寸規格可以選擇。
開(kāi)關(guān)電源變壓器參數計算:漏感計算、分布電容計算、穿透深度(導線(xiàn)選擇)、交流電阻計算、電流有效值。
開(kāi)關(guān)電源變壓器設計
設計內容:
1、磁芯規格
2、匝數與導線(xiàn)規格
3、損耗與溫升
4、導線(xiàn)結構:多股線(xiàn)或扁平線(xiàn)
5、繞組結構:多層或分段饒制
6、端空設計:按絕緣電位設計端空
設計條件:
1、電路形式:給出變換器的形式,輸入輸出電路及所用元器件
2、工作頻率或周期
3、變換器輸入最高、最低電壓
4、輸出電壓和電流
5、開(kāi)關(guān)管最大導通時(shí)間
6、開(kāi)關(guān)管導通電壓降及整流二極管正向電壓降
7、隔離電位
8、要求的漏感或分布電容
9、溫升要求
10、磁芯形狀
11、工作環(huán)境條件
設計參數的確定:
1、磁感應強度B和電流密度J
磁感應強度B、變壓器銅耗Pm、電流密度J
2、變壓器和線(xiàn)圈的結構參數
銅線(xiàn)占空系數、平均匝長(cháng)、變壓器表面積、磁芯結構常數
鐵氧體材料的開(kāi)關(guān)電源變壓器采用標準化設計,通過(guò)查表的方法簡(jiǎn)化工作量。
表格包含了如下信息:
變換器類(lèi)型
工作頻率
變壓器溫升
磁芯規格
技術(shù)指標
直流功率、增量磁感、剩余磁感、電流密度、電壓調整率、電感系數
損耗指標
磁芯損耗、線(xiàn)圈銅耗、散熱面積、單位損耗、效率
結構參數
結構常數、平均匝
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