AC/DC 基础知识 —— 平滑后的 DC/DC 转换 (稳定化) 方式

时间:2019-02-22 09:01来源:21Dianyuan

摘要:ACDC基础知识系列之二

1. 所谓线性稳压器
线性稳压器,也称3引脚稳压器,广泛使用的能简单降低DC电压设备。基本上分成输入、输出、GND的3个引脚,并将输出电压事先调整成业界标准电压。之后也陆续开发出利用外置电阻输出可变型或内置ON/OFF功能(关断)等规格,根据功能变更引脚数量。
 
构造上完全利用线性反馈环路控制,误差放大器监视输出至反馈为止的电压,输入变动或输出负载变动时,调整输出电压保持稳定。不必开关,不会出现开关所引起的噪声和纹波。
 
 
图 15:线性稳压器的损耗
 
使用方法非常简单,但使用时仍必须考虑损耗=热。如图15所示,线性稳压器是指输入和输出间的电压差和流至输入的电流的积为损耗功率,而损耗功率会转换成热。在未加装散热板下,最多只能承受到2W左右。当然,损耗大代表着效率差。
 
考虑加装AC/DC转换器时,线性稳压器IC的输入,无法承受直接整流100VAC的140V电压,在采用开关方式的AC/DC转换中,替换DC/DC部分的无法使用的线性稳压器IC。虽然可以利用高耐压晶体管等,不直接连线性稳压器,但从140V的DC电压,降至例如12V的电压时,考虑到热处理,事实上并无其他选择。此外,也必须考虑如何设计电路,以及包含散热器在内时所需要的空间。
 
 
图 16
 
根据上述理由,利用线性稳压器转换DC/DC(降压稳定化)时,一般会采用变压器的方式。若能将使用变压器的变压(降压)调整理最佳状态,线性稳压器的输入、输出落差不要太大的话,效率就不会变得那么差,且能在允许的发热范围内使用。

 
此外,线性稳压器具备纹波抑制功能,也可以抑制平滑后的DC中残存的纹波。在不能有噪声的应用装置上,能加装线性稳压器解决噪声问题。
 
关键要点
▪ 一般会采用变压器方式,但容许损耗最多只有2W左右,效率也令人担忧不已。
▪ 不会产生开关噪声,因此能利用在对噪声较为敏感的应用上。
 
2.  所谓反激式
反激方式是常使用在至100W左右的开关电源上的方法。本稿的开始也以反激方式为例进行说明。
 
反激方式分有自励型的RCC(Ringing Choke Converter)、他励型的PWM型、利用共振技术RCC准谐振型等3种。RCC型主要用在系统的辅助电源等小功率用途,但相较于PWM型,设计略为复杂,近年PMW型内置MOSFETIC较普遍,小功率用途上较常采用PWM型。准谐振型是利用专用的IC进行控制,但噪声比PWM低且损耗也较小,因此部分应用会采用准谐振型。
 
在AC/DC转换时,开关方式的AC/DC转换较常使用,还可以用变压器方式。但是,和线性稳压器相比,反激式的部件多且成本高,限用于必须绝缘时。
 
反激式的特征是构造简单、部件数量少。
 
 
图 18:反激方式(连续模式时)
 
 
图19
 
不太要求输出精度的应用,能利用变压器的匝数比粗略设定输出电压,也可以作为非稳定输出电源使用。为了能稳定输出,必须增加控制开关用晶体管的电路。
 
 
图20:反激方式各部的波形
 
其他还有输入电压范围大等优点,但也存在着较大的峰值电流,会流向开关元件、二极管、输出电容器的缺点。利用光耦合器隔离二次侧(输出)端的反馈,如此一来就能形成绝缘电源了。
 
关于反激式的基本工作以图18说明。MOSFET为ON时,电流经过变压器初级绕组,蓄积电能。此时,二极管为OFF。MOSFET为OFF时,蓄积的电能通过二极管,从变压器的次级绕组向外输出,之后再经由整流/平滑,产生DC电压。上述工作模式也称为ON/OFF方式。各部的波形如图20所示。
 
关键要点
▪ 利用变压器的DC/DC转换应用范围较大,因此必须熟悉其基本工作模式。
 
3.  平滑后的 DC/DC 转换(稳定化)方式
之前已说明了采用变压器方式的AC/DC转换顺序为AC-低AC-整流/平滑(DC)-[选项:稳定化DC]以及采用开关方式的AC/DC转换顺序为AC-整流/平滑(DC)-稳定化DC(AC-整流/平滑-稳定化DC)进行转换。在本项则是说明各方式中,经由前文的蓝色部分的整流/平滑,所生成得DC电压,转换成稳定化DC电压的方式。
 
采用开关方式的AC/DC转换,会“将DC转换成AC后,经由整流/平滑,再转换成DC”,但其本身为采用开关方式的DC/DC转换,因此之后将简称为“开关式DC/DC转换”。和开关式DC/DC转换相对的,则是线性DC/DC转换。提到DC/DC,不少人第一直觉想到开关方式的,严格说来,以DC转换成DC来说,其实分成开关式和线性方式两种,接下来将以两者为前提进行说明。
 
 
图 12:变压器方式的 DC/DC 转换部分
 
 
图 13:开关方式的 DC/DC 转换部分
 
图12和13是各AC/DC转换方式的电路,但圈起来的部分是将DC电压,转换成想要的DC电压的电路。在实际使用上,如果未利用该电路,转换成稳定且高精度的DC电压,就无法产生电子电路所需要的电源。
 
关键要点
变压器方式必须增加稳定化DC/DC,开关方式附带的控制电路DC输出非常稳定。
 
4.  所谓正激式
正激方式是构造较简单,容易控制,非常普遍的方式之一。
 
 
图 21:正激方式
 
其特征是输出功率比反激方式大,但必须加装电感和续流二极管(转流二极管:D2)。此外,和反激式相同,能利用光耦合器隔离二次侧的反馈,形成绝缘电源。
 
 
图22
 
工作模式如下。MOSFET为ON时,二极管D1为ON,经由电感供给电流至负载端。MOSFET为OFF时,蓄积在电感的电能经由二极管D2供给电流至负载端。各部的波形如图23所示。
 
 
图23:正激方式 各部的波形
 
正激方式只会单向激磁变压器,在晶体管为OFF时,必须释放(复位)蓄积在变压器的电能。也因此必须装上复位(缓冲)电路(图21中位于变压器一次侧的RCD)。复位电路一般是由电阻/电容器/二极管组成,但基本上仍会损耗电能,因此变压器的利用效率也不算高。
 
而在启动复位后,会施加DC输入电压1.5~2倍的电压至开关用晶体管上(图22的Vp和Vds的波形的VR)。最近能量,损耗和Vds。该电压经由缓冲的电阻和电容器转换。最近,开始结合主动箝位电路,通过再生必须复位的电能,减轻损耗和Vds。
 
 
图 24
 
此外,降压时因一次侧电流少,停留在线圈的电能也没那么大,只是一但用在升压上,一次侧的电流就会变大,停留在线圈的能量将是电流的二倍,而因为复位电路所损耗的电能也会跟着变大。因此,本电路虽然可以用在降压上,但却几乎不会用来升压。
 
AC/DC转换主要采用开关方式。虽然能够使用变压器方式,但和反激方式一样,限用于必须绝缘等时候。
 
关键要点
较反激式复杂,但二次侧和二极管整流(异步)的DC/DC原理相同。
缓冲电路常出现在电源设计上,推荐利用本节先了解其原理。
 
5.  所谓Buck(降压、非绝缘)方式
Buck是降压的意思。Buck转换器是利用二极管整流的降压转换器,代表性用途为用在非绝缘降压开关的DC/DC转换器上。DC/DC转换的世界上常称作二极管整流式和异步式等。
 
 
图 25:Buck方式(连续模式时)
 
和先前提到的正激方式相比,由于未使用变压器,一次侧和二次侧并未绝缘。不需绝缘时,以不使用变压器的本方式最为简单。Buck方式不必设定变压器调整电压,只要利用MOSFET控制,就可以决定输出电压。因此,未必会需要来自于二次侧的反馈。(省略图)。
 
 
图 26
 
Buck方式的特征是电路构造简单。此外,组成小功率的电源电路时,成本也比反激式更有竞争力。因此,常使用在家电产品的微控制器用电源上。但是由于不必通过变压器,流向开关元件的电流比采用反激方式的同等输出功率还大,只适用于小功率输出,而无法用于大功率输出上。
 
 
图27:Buck方式各部的波形
 
模式几乎和正激方式相同。只是去掉正激方式的变压器,将D1换成MOSFET。MOSFET为ON时,电流经过电感流向负载端,同时电感也蓄积电能。此时,二极管为OFF。MOSFET为OFF时,蓄积在电感的电能经由二极管D2供给至负载端。和正激转换器的D1相同,开启或关闭MOSFET。
 
 
图 28
 
AC/DC转换中,开关方式限用于非绝缘电源。对于变压器方式而言,可说是最容易使用开关DC/DC转换器。变压器的方式虽然部件数量比线性稳压器多,成本也比较高,但能承接变压器方式,进而提升效率。不过,自AC输入的效率,仍不及于采用开关方式的AC/DC转换构造。
 

关键要点
▪ 除了未加装变压器外,其余都和正激式相同,为非绝缘DC/DC的基本型。

 
上一章AC/DC 基础知识 —— AC/DC 的基础
下一章:AC/DC 转换电路设计的设计步骤
自:罗姆半导体集团 ROHM Semiconductor TechWeb
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