带你解锁AC/DC、DC/DC转换器基础
来源:电子工程专辑 发布时间:2022-06-23
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首先,我们过一下AC(交流)和DC(直流)的概念。
电流极性在1秒内的变化次数被称为频率,以Hz为单位表示。




简而言之,通过以高电压、低电流方式传输AC电压,可以减少传输损耗(能量损耗)。然而,在实际家庭中,由于不能直接使用高电压,所以需要通过几个变电站分阶段进行变压(降压),最后转换成100V或200V后进入家庭。这些转换也因AC更简单,所以传输的是AC电压。

全波整流和半波整流在相同的电容器容量和负载条件下,全波整流的纹波电压更小。纹波电压越小,稳定性越高、性能越优。

变压器方法首先需要通过变压器将交流电压降压到适当的交流电压(例如,从AC100V降至AC10V等)。这属于AC/AC转换,降压值由变压器的绕组比设定。
接下来,通过二极管桥式整流器对经过变压器降压的交流电压进行全波整流,转换为脉冲电压。最后,经电容器平滑并输出纹波小的直流电压,这是最传统的AC/DC转换方法。


变压器方式是首先通过变压器进行AC/AC降压,而开关方式是直接用二极管桥式整流器对交流电压进行整流。由于普通家庭的用电电压为AC100V或AC200V,所以二极管桥式整流器必须具有可承受高电压的规格。
接下来,用电容器平滑直流电压(脉冲电压)。电容器同样需要耐高压的电容器。然后,通过开关元件的ON/OFF对直流电压进行斩波(切割),并经过高频变压器降压后传送到二次侧。此时,斩波波形变为方波。
与家用频率(50/60Hz)相比,开关元件使用的频率更高(例如,100kHz)。由于高频工作,所以可以实现变压器的小型化、轻便化。

开关方式是利用控制电路控制开关元件,获得稳定的预期的直流输出(例如,DC12V)的方式。
与变压器方式相比,开关方式由开关元件和控制电路组成,电路结构较复杂,但由于基于高频控制可以使用小型变压器,所以有助于设备小型化,这是它的一个很大的优点。

FB控制电路检测实际输出的该电压值是否达到规定的目标电压值。

这样,反馈控制电路常时对实际输出电压值进行确认,并根据该值调整开关元件的ON/OFF时间,确保目标输出电压值的稳定。
周期恒定(PWM控制)时,即使ON/OFF时间比有变化,其次数在单位时间内也是恒定的。因此,自身功耗量也是恒定的,轻负载时这种转换漏电流造成的损失会导致效率降低。故此,在使用电流少的情况下,通过频率调制(PFM控制)将周期拉长、变慢,从而减少单位时间内的ON/OFF转换次数,以减少损失。这种技术就叫做轻负载模式。

这样,噪音低的PWM和效率高的PFM可互为补充,高频率驱动的高负载(噪音发生较多)时采用PWM,电流使用较少的低负载时采用PFM,择优使用,即可尽可能提高效率。
它常被称为线性稳压器或开关稳压器等,以转换方式的名称命名。


开关稳压器则具有自由度,输出形式包括以下4种:
・降压输出比输入电压低的电压
・升压输出比输入电压高的电压
・升降压输出恒定电压,与输入电压的高低无关
・从正电压反转输出负电压
而且,开关稳压器的整流方式有同步整流和非同步整流(二极管整流)。

因输入与输出间串联有控制元件,有时也被称为"串联稳压器"。

通过高速重复这一动作,将输出电压调节到规定值。


在输出可变的线性稳压器上添加了用于反馈输出电压的FB(反馈引脚)。
简单来说,电压固定型是内置了电压可变型的外接电阻的稳压器。


根据使用电路不同,也有不需要正电源,而需要负电源的产品。
若只有正侧电源,则不能处理接地电位以下的电压,不能将晶体管的输出引脚的电压分配至负电平。将控制晶体管装入负输出线,从而产生负电压。

可变型为GND基准型时,添加反馈引脚变成四个引脚。可变型中也有无GND引脚的浮动工作型,这种情况为三个引脚。

LDO是Low Dropout的缩写,是降低了输入输出间电位差的线性稳压器。标准型的输入输出间电位差最低也有约2V,而LDO可控制在1V以下。
有时也称为低损耗型线性稳压器或低饱和型线性稳压器。
关于LDO的输入输出间电位差并无数值性的定义,一般是指稳压器稳定工作时最低电位差可控制在1V以下的稳压器。
例如,对于需要3.3V电源的IC,由于标准型不可制作5V到3.3V电源,因此,需要输入输出间电位差较低的LDO。
这样,LDO在输出与标准型稳压器相同的电压时,也可设定较低的输入电压。
通过低电位差工作,可使能量损耗较少,可进行抑制散热等设计。
输入输出间电压差低于压降时,晶体管难以维持稳定的工作,输出电压会降低。

输入电压值 (VIN) 低于最低工作电压时,输出电压不能稳定工作。
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