想要成为一名合格的硬件工程师,熟练掌握电源知识至关重要——


凡是在工作着的系统都必须要有电源,而电源是否可靠稳定的运行,则影响着整个系统的工作情况。那么,如何产生“干净”的电源?假设自己DIY一个开关电源的难度有多大,需具备哪些知识呢?

 


分解式完整学习路径

别着急,我们一步步来,先了解开关电源的定义



图1 两种常用电源


如上图,电源大的分类主要有线性电源和开关电源。从简化的图形上看,(a)线性电源随着调整管的大小而输出呈现一个线性的变化,(b)中可以看出开关电源的工作原理。


为什么叫开关电源?简单的说开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。


图(a)和(b)中,除了把两种电源做了模型的简化,让大家非常清楚的知道两者本质区别之外,开关电源与线性电源还有如下区别:


1) 功率管的工作方式不同,线性电源的功率管工作在可变电阻状态(放大区),而开关电源的功率管工作在开关状态(饱和区及截至区);


2) 效率不同。线性电源的功率管是一个可变电阻那么就不可避免的需要消耗电能,而开关电源功率管工作在开关状态从而它的效率比较高,一般都在90%以上;


3) 纹波不同。线性电源没有开关动作从而纹波噪声小,相反开关电源纹波噪声就较大;


4) 开关电源体积较小,功率大。线性电源的功率管消耗电能因而发热量较大需要加配较大散热片,开关电源的功率管工作在开关状态产生的热损耗要小得多。

明确开关电源的概念后,再来看开关电源的构成



图2 开关电源基本组成


如图2所示,开关电源的工作原理是:输入电压经过滤波之后,被主电路转换为脉冲电压,脉冲电压再经过输出端滤波后得到输出电压。同时输出端设置采样电路对输出电压进行采样反馈给控制电路,控制电路通过PWM调制控制主电路的状态从而达到电压稳定输出。


基本组成中的各部分都承担着重大作用:
输入滤波:将输入端的电网杂波滤除,阻碍本机产生的杂波反馈到电网;
主电路:承担电压变换的主要角色,将输入滤波后的电压转化为高频的直流脉冲电压;
输出滤波:滤除主电路中开关管产生的高频杂波,输出稳定的电压;
采样电路:对输出电压、电流进行采样;
控制电路:取得采样电流采集的数据与参考数据进行比较并产生控制信号控制主电路,以达到反馈控制的目的;
辅助电源:提供控制回路的工作电压。

搞清楚概念和原理之后,补充制作最简单开关电源必备知识


很多同学最初DIY时,都逃不过炸电容,烧芯片,废MOS管….迷茫的翻阅《电力电子技术》书籍,学习什么是Buck?什么是Boost?什么是半桥?小心翼翼的焊板子,制作数控电源等。


DIY的乐趣就在于此,接下来,我们提前储备一下开关电源的制作的必备知识点,好让大家在真正动手实践时少踩坑!(注意:电源的指标我们先不用定的太高,只需要设计一个输入直流、输出直流具有恒压功能的DC-DC电源即可。)


1)对于主电路,需要懂得Buck电路,如下图3所示。理解其工作原理,知道PWM(脉宽调制)控制其输出电压,建议大家参考一下《电力电子技术》。



图3 Buck电路原理图


2)输入输出滤波电路,这一块就轻松点了。明白电解电容的耐压值要高于接入的电压才不会爆炸,要想滤波效果好就得多个电容并联,且要电解电容和瓷片电容一起用,因为瓷片电容的高频特性好,可以有效滤除高频杂波。而电解电容容量大,能保持输出电压的稳定。


3)对于控制电路,如果使用专用的开关电源芯片那么就按参考芯片手册给出的典型电路。如果采用的是微处理器,那么需要会C语言,懂得操作单片机控制其管脚输出PWM波,以及MOS管的驱动电路。


4)采样这一部分需要懂得电阻分压采样,电路图如下图所示:



图4 分压采样电路


图中OP97主要起到保护后级电路的作用。若没有OP97,直接将N点连接至后级电路,当输出电压突然过高,N点电压有可能超过后级电路的可承受电压,从而烧毁AD转换器或者其他后级电路。若存在OP97,那么出现N点电压过高,OP97将达到饱和区,输出电压被限制在工作电压而不会出现烧毁后级电路的情况。


5)对于辅助电源,可以直接使用相关的电源芯片(如果控制电路使用的是集成开关电源芯片,那么芯片内部一般都将辅助电源集成在了内部)。


6)我们建议大家控制部分使用微控制器来做,主电路自己用MOS管来搭建,辅助电源部分使用相关的开关电源芯片,例如ADI的ADP2360、LTC3309。


用集成的开关电源芯片来做的话,需要自己制作的部分很少很少,只需按照芯片手册添加几个电阻、电容、电感即可。如果使用微控制器来做的话,那么主电路、采样电路、驱动芯片、辅助电源芯片都需要自己来设计和选型,学起来才深刻。