关于直流电源

直流电源是强电弱电的一个纽带

电能

发电和交流电  发动机，将动力转化为电能。在磁场中旋转产生电。风力 火力发电等

电源种类

线性电源

变压器 整流 稳压 整流器( rectifier/regulator) 电源的基本模块，the power supply circuit that controls or stabilizes the output voltage at a preset value. half-wave rectification full-wave rectifier，bridge rectifier.(rek´ti-fī´´&r) (n.) A component of a circuit that allows current to pass in one direction yet blocks the flow of current in the other direction. Rectifiers are used to convert AC into DC. 常用电压：5V、3.5V、12V   桥式整流电路是使用最多的一种整流电路   在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。两只二极管并联、每只分担电路总电流的一半口三只二极管并联，每只分担电路总电流的三分之一  

开关电源和开关电源芯片

线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种 电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和 重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散 热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。 开关电源是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，再整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器，以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路完全是数字调整，同样能达到非常高的调整精度。 开关电源的主要优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（一般为60～70%，而线性电源只有30～40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。 开关电源的主要缺点：由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地 从线性电源到开关电源，目的是为了降低变压器的重量体积 因为提高频率，变压器体积和降低，于是在降压、整流之前加上了提高频率的变化 具体就是先变成直流，再高速开断变成高频的交流电压 工频交流电进入开关电源后被直接整流，因此省去了体积大、重量大的工频整流变压 器。整流器输出为电压很高的直流电，如果整流后的电压经电容滤波，电压的平均值为 300V~310V。高电压等级的直流电送往逆变器的输入端，经逆变器变换，变为高电压、高频 交流电，目前开关电源逆变器的变换工作频率在几十到几百 KHz 范围。逆变器输出的交流 电能接高频降压变压器的原边， 由于经逆变器产生的高频交流电的频率比工频高得多，所以 高频变压器的体积要比同容量的工频变压器小得多，从根本上减小了整个电源的体积和重 量。逆变器产生的高频交流电经高频变压器降压后，在经过整流、稳压等环节，变换出符合 负载要求的低压直流电能，供给负载。从开关电源的结构中可以看出，电路中没有调整管， 不会消耗额外的能量， 所有电子器件都工作在开关状态，如果忽略开关器件的导通压降和电 路的杂散电阻，电路的效率应为1。 必要性： 因为高频电流在变压中效率要比50HZ的高很多，可以使开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热 由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化 工作： 通过控制高频开关管（开关晶体管 MOSFET）的高速道通与截止转换为交流电（脉冲宽度调制PWM）即逆变 逆变器 然后可以到变压器进行变压产生需要的电压 1 交流电变直流电 2 通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上 3 开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载 4 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的

开关电源高频变压器

Alvin： 开关电源中将低频的直流强电逆变成高频的交流电，这里用到高频变压器 由于这里牵涉到电的不停通断，变压比和匝数比和原来的等比关系不是完全一致，还要带上占空比，我的理解，大约是Nsecondary:Nprim=(Vout/Duty):Vin 变压器的基本概念： 初级绕组 次级绕组 密绕  密绕排线均匀紧密  密绕就是一匝挨着一匝，使绕组紧密排列的一种绕线方式 通常说的密绕，就是一圈挨着一圈的绕。绕完一层，加一层绝缘材料，再绕。另一种密绕是不分层，也不是一圈挨着一圈的绕，俗称乱绕。 间绕/疏绕  疏绕完全均匀疏开   与密绕相对比的是间绕，是一圈与另一圈间隔一个线径的绕。仅用于高频线圈。还有一种绕法，蜂房式，也是用于频率较高的线圈。 从耦合方面上来看疏绕比密绕会好很多,一般次级才用疏绕.次级中间密绕和疏绕的话疏绕的漏感相对较小. 其实散绕跟密绕在圈数较多的时候，区别并不是很大，但是在圈数比较少的时候，就有明显的区别了，当然这个跟绕组在变压器中所处的位置也有很大的关系 个人觉得要是单一输出的话，只有反馈绕组能做到散绕或密绕。我们都搞密绕的，因为散绕不好控制，变压器厂家也不愿散绕。 变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件 变压器的组成和机理： 主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯） 变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈 铁芯是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度分别为  0.35 mm\0.3mm\0.27mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。　　铁芯分为铁芯柱和横片俩部分， 铁芯柱套有绕组；横片是闭合磁路之用 　　铁芯结构的基本形式有心式和壳式两种 绕组是变压器的电路部分，它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成 变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 低频变压器用来传磅信号电压和信号功率，还可实现电路之间的阻抗匹配，对直流电具有隔离作用。它分为级间耦合变压器、输入变压器和输出变压器，外形均于电源变压器相似 。 常用的高频变压器有黑白电视机中的天线阻抗变换器和半导体收音机中的天线线圈等。 中频变压器的结构 中频变压器俗称”中周”，应用在收音机或黑白电视机中。 变压器一般由导电材料、磁性材料和绝缘材料三部分组成。 　　1．导电材料 变压器的导电材料主要是各种上强度较高的漆包线，只有在调谐用高频变压器中使用纱包线。 2．磁性材料 电源变压器和低频变压器中使用的磁性材料以硅钢片为主。中频变压器、脉冲变压器、振荡变压器等使用的磁性材料以铁氧体磁材为主。 　　3．绝缘材料 变压 器的绝缘材料除骨架外，还有层间绝缘材料及浸渍材料（绝缘漆）等。

种类

正激式 负 激式开关电源 单：端反激式变换器构成元器件比正激变换器少，输出只要增加一个绕组、一个二极管、一只滤波电容就可可以组成多路输出；尽管在相同条件下，输出功率只是正 激式变换器的二分之一，但它的用途却十分广泛，特别是小功率及辅助电源。虽然其电路简单，其设计理论及要求却比正激变换器复杂 推挽 半桥 全桥式  

曾经的案例 利用TOP442Y备用开关电源模块设计

用的“TOPSwitch-GX 产品系列输出功率更大、设计灵活性更强、高效节能的集成离线式开关IC”中图 41. 使用外部流限编程及线路检测欠压及过压的30 W电源   一个做过电源的同事说：开关电源原理图是没用的。它不是数字电路，主要参数都要调才行。特别是变压器、电感器，要进行参数设计，而且设计之后还要调。 反馈绕组 和次级同相 或者和初级同相 对 于多路输出，如果要求每路输出电压均具有高精度，则煤炉都应有独立的闭环稳压回路，如果只有一路输出是重负载，其他路输出的副载较轻，对于输出电压精度要 求不是很严格，则只需给重负载所在的回路加反馈控制回路.本模块的4路输出中，由于+3.3V输出是最重要的负载，输出电流（最大 3A），+5V、+5V（HVDD）+ 15V是集成电路的电源，允许电压在10%的范围变化，电流较小，所以只在+3.3V输出回路采用闭环稳压电路。在+5V、+5V（HVDD）、+15V 所在回路7805型和7815型集成稳压器，由于反激式变压器本身就是耦合电感，所以采用这种高频反激式拓扑结构的变压器就能改善多路输出交叉调整率。   输入滤波电容参数 据称有公式估算，公式计算很麻烦，一大堆，也弄不准用哪个，试了个算出来20uf多，参考应用上68uf 高压电容，很大个子的，比如68uh/400v，68uF 400V 22mm  Dpin=10mm H=31mm；而 56uF 400V 22MM Dpin=10mm H=25mm 输出滤波电容参数 据称输出滤波电容也有复杂的公式估算的 二极管后面的滤波电容需要是高频的，是储能元件 再后面的是二级LC滤波，是去纹波的，不用高频即可 ref: 第一级滤波电容器的选择 对于输出电流5A对应的峰值电流为20A、有效值电流为14.14A，其中大部分流入滤波电容器。按最高温度的纹波电流2倍选用电容器，滤波电容器的纹波电流之和至少要7A。 25V/1000μF低ESR铝电解电容器的额定纹波电流约为1A，需要7只并联。如果非要5只并联甚至4只并联，也是可以运行的 第二极LC低通滤波器的设计与参数选择 第二级需要考虑的是如何将不能满足要求纹波电压经过LC滤波使其满足要求。输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑抑制负载电流的变化，在这里可以选择30~1000μF/25V。     输出滤波电感 可以不加,但是纹波太大.如加,不能太大,一般在10UH,电感前后都要加电容.   X Y安规电容 并联在220V火线、零线之间，要同时并联一个大阻值的电阻，提供放电回路 容量计算：一般两级X电容，前一级用0.47uF,第二级用0.1uF；单级则用0.47uF（电容容量的大小 和电源的功率无直接关系）。 熔断器用延时熔断器 延 时保险丝 延时熔断器 有些电路在开关瞬间的电流大于几倍正常工作电流,尽管这种电流峰值很高,但是它出现的时间很短,我们称它为脉冲电流也有称它为冲击电流或叫它为浪涌电流。 普通的保险丝是承受不了这种电流的,这样的电路中若使用的是普通保险丝恐怕就无法正常开机了,若使用更大规格的保险丝,那么当电路过载时又得不到保护。延 时保险丝的熔体经特殊加工而成,它具有吸收能量的作用,调整能量吸收量就能使它即可以抗住冲击电流又能对过载提供保护。标准对延时特性都有规定,若标准的 规定特性无法满足您的要求,您可以与制造商联系以得到解决。 用了3.15A 玻璃保险丝/管 NTC 热敏电阻 串联NTC热敏电阻做保护，负温度系数热敏电阻 理解原理图中控制旁的47uf电容 ref: 使用时需在C和S之间接一个47μF旁路电容，利用该电容的充电过程来实现电路的软启动。CONTROL引脚为误差放大器和反馈输入脚，实现占空比调节控制。 C3为控制端旁路电容，它能对控制回路进行补偿并设定自动重启频率。当C3=47μF时，自动重启频率为1.2Hz，即每隔0.83s检测一次调节失控故障是否已经被排除，若确认已被排除，就自动重启开关电源恢复正常工作 理解原理图之反馈原理 ref: 反 馈回路实现稳压的工作原理。当输出电压UO发生波动且变化量为UO时，通过取样电阻R5、R6分压后，就使TL431的输出电压UK也产生相应的变化，进 而使PC817中LED的工作电流IF改变，最后通过控制端电流IC的变化量来调节占空比D，使UO产生相反的变化，从而抵消UO的波动。上述稳压过程可 归纳为： UO ↑→UK ↓→IF ↑→IC ↑→D ↓→UO↓→最终使UO不变。

关于DCDC开关电源芯片

• buck regulator 降压型稳压器，机理上可采用PWM占空比控制开关管获得
• boost 升压型
• buck-boost step-up/step-down 可升压可降压
• SEPIC single ended primary inductor converter，是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器。输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。SEPIC 需要两个电感或者coupled inductor

 

关于LDO

Low Dropout Regulator

low voltage regulator  意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就 不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件的。针对这种情况，才有 了LDO类的电源转换芯片。 低压稳压器，是电源转换IC中的一种，常规的电源转换IC中输入往往要求高于输出2V 3V以上，但在在一些条件下显得有些苛刻，LDO则具有低降压的特点，比如从5V到3.3V 如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。 所需压差越小性能越好。输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V电压，就能使输出电压稳定在5.0V。 当输入没有满足所需的压差，甚至低于期望的输出值的时候，会出现什么情况呢？这是一个好问题 从手册的output vs input图表可以看出，当小于所需电压时，输出电压也相应减小，小到一定程度直接输出时0了 参考讨论 How do voltage regulators track when the input voltage drops too low? Let’s say a 12V regulator with a voltage drop of 0.5V. What will the output be at 12.5V; 12.0V; 11.5V & 11.0V? Will it stay 0.5V below the input voltage or will the drop reduce or even disappear the lower the input voltage?

电池

电池作为负载 在电作用下发生化学反应 将电能转化为化学能储存起来，在需要时再将化学能转化为电能 普通圆形干电池 比如用于收音机/录音机/闹钟 一般又称为锌锰电池．可分为碳锌电池和氯化锌电池，其优点是能量密度较高，电流密度适当，易实现机械化生产等．但很可惜的是由于能量密度不足，一般这种电池只用于耗电量较小的电子产品，如：闹钟，计算器等．如果你打算用他来驱动你的数码相机恐怕你会大失所 碳锌电池是一次性的电池 1、2号？5号一般 7 号小 纽扣电池 比较小 比如用于电子表 块状 比如万用表 方形 片状的电池 镍镉电池的循环使用寿命在 300700 次左右，镍氢电池的可充电次数 一般为 4001000 次，锂离子电池为 500~800 次 镍镉/镍氢与锂电池 镍镉/镍氢电池有记忆效应 讲究“充满放尽” 长期循环使用中积累的记忆效应 锂电池则不需要放电操作 充满判断规则： 对充电电池是否在充电过程中已充满的判断是充电器的重要指标 综合起来，判断规则有如下几种： ●定时控制； ●电压控制(含最高电压：电压负增量：电压零增量等)； ●温度控制(包括最高温度，最高温升：温度变化率等)； ●电流控制等。 较好的办法是采用综合判断方法，对每个指标进行跟踪，并按模糊数学原理分别记分，按照置信度做出最佳判断 自动断电 欠压保护Brownout 欠压 过压保护Overvoltage protection (OVP) 过流保护Overload protection coin cell 钮扣电池 铅酸电池    

常用电源设计

DCDC

12V-5V

3A方案：

• LM2576，开关稳压器 比如12V到5v  National semiconductor
• LM2596，
• LM22676 SO-8封装
• TPS5430，TI，SO-8封装
• XL1509，XL1509-5.0，SOP-8，国产的，见网上反馈不好，参考：不建议用，这个之前用过，可靠性不行，自己做着玩可以的，后端短路很容易就冒烟了，芯龙的好像都有这个问题。短路保护和热保护做的不够好 参考：断断续续 多个产品上碰到 XL1509 烧芯片的情况，这芯片有这么脆弱吗？
• XL1507-5.0E1，样子类似 LM2576，管脚在一边，但是小一号
• XL2596，安富莱的开发板电源芯片是XL2596，和 LM2596 类似？
• TPS54331
• CX8505
• MP1495S，据称 MPS 性价比更高

1A方案：

• 7805，线性稳压器

5V-3V3 LDO

• AMS1117-3.3，常用 5V-3.3V变换
• AMS1117-ADJ，可调节

其它

• 78 ×× 系列，7805/12/15 线性稳压器 需要降压

• 78L系列其他：78L08/09/12… 比如100mA电流

• 78M系列 比如500mA电流

• 7905：负压，输入-10V(最低-25V) 输出-5V，几角

• AMS1117-5V

• 7660：翻转 输入+10V(最大+1.5) 输出 -10V LM317：三端可调 查找资料:http://www.21icsearch.com 注意带负载能力 12V到-5v方案： 7905＋7660 7905范围：－7.5——－25 7660 缺点7660上限过低 增加串联的二极管或者串联稳压二极管 美信芯片MAX1846, MAX1847可直接12V到-5V LM2594 +5v到-5v

ACDC

• 电源设计过程中可以选用一些小巧可焊接的ACDC模块，5V/12V等

历史

• 20230908 补充记录 TPS5430 等
• 20230829 补充记录AMS1117，ACDC模块
• 2010-06-04 整理电源设计和选型