能够降压升压反激的AC / DC转换器

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       电路通常需要集成的交流电源作为减小尺寸的最佳策略。电路通常需要集成的交流电源作为减小尺寸,降低成本或满足特定应用需求的最佳策略。了解与转换相关的关键概念以及可用的实际替代方法是成功设计的良好起点。

 

       安全第一!

 

       当交流电源为市电电源插座时,必须格外小心,以确保实现安全使用。毫无例外,该子系统应由合格的专家设计和实施。如果可能,请使用预先批准的现成插头包。

 

       必须遵守规定!

 

       当您将任何东西插入电源插座时,它必须符合使用国家/地区的法律认证标准。此外,它还必须经过测试和认证,这是一个昂贵的过程。这是为了确保安全,不干扰他人或对交流主电源线造成噪声。

 

       什么是AC / DC转换器?

 

       电力以非振荡常数在一个方向上流动的直流电(DC)的形式在电线上传输电压或交流电(AC)由于振荡电压而来回流动。交流电是传输功率的主要方法,因为它比直流电具有多种优势,包括变压器的发明,它具有较低的配电成本和在电压电平之间进行转换的简单方法。以高电压远距离发送然后转换为较低电压的交流电源是家庭中更有效,更安全的电源。根据位置的不同,高压范围可能从4kV(千伏)到765kV。提醒一下,家用交流电源的范围为110V至250V,具体取决于您居住在世界的哪个地方。在美国,典型的交流干线为120V。

 

       转换器将交流电(电压也交替变化)引导​​到电抗性阻抗元件中,例如电感器(L)和电容器(C),在此处存储和集成交流电。该过程将与正电势和负电势相关的功率分开。滤波器用于使存储的能量平滑,从而为其他电路创建直流电源。

 

       该电路可以采用多种形式,但始终包含相同的基本元素,并且可以具有一个或多个转换阶段。转换器称为“正向转换器”,它的效率比稍微简单的架构要高。一个“反激式转换器”。尽管没有详细讨论,但是反激式转换器与正激式转换器的不同之处在于其工作方式取决于电路中变压器气隙中存储的能量。

 

       输入滤波块

 

       输入滤波器很重要,因为它可以防止电源开关元件中产生的噪声重新回到主电源上。它还可以防止主电源上的噪声进入后续电路。滤波器通过50 / 60Hz电源频率,并衰减可能存在的更高频率的噪声和谐波。与交流到直流转换器的其他部分一样,电抗性元件(如电容器和电感器)也发挥着重要的频率作用-选择性抑制。电容器不通过直流电,可以串联使用(作为直流电阻塞“高通滤波器”元件),也可以并联使用(将高频分流至地面以防止其通过变频器)。

 

       输入滤波模块通常还将包括一个压敏电阻或压敏电阻,以防止电网上的高压尖峰损坏电源。这是一个矩形框,在图1的输入端上有一条穿过它的对角线。最常见的压敏电阻类型是金属氧化物压敏电阻(MOV)。器件上的任何电压“钳位电压”都会导致MOV导通,从而分流高压尖峰并抑制电涌。

 

       整流

 

       最简单的AC / DC转换器由输入滤波后的变压器组成,然后传递至整流器以产生DC。在这种情况下,由于变压器不通过直流电,因此在变压器之后进行整流。但是,由于具有较小的变压器需求和较低的噪声(回馈至电源)的优点,许多AC / DC转换器使用更复杂的多级转换拓扑。

 

       整流器是使用半导体器件实现的,该器件仅在一个方向上有条件地传导电流,例如二极管。更复杂的半导体整流器包括晶闸管。可控硅整流器(SCR)和用于交流电的三极管(TRIAC)与继电器类似,因为少量的电压可以控制较大电压和电流的流动。这些工作方式仅在输入信号触发控制“门”时才进行。通过在交流波形流动的正确时间打开或关闭设备,可以控制电流以产生直流隔离。有许多电路可以做到这一点,从交流电波形中抽出的信号用作控制信号,可将晶闸管的相象限设置为开或关。这是换向,可以是自然(在简单二极管的情况下)或强制,例如在更复杂的设备的情况下。

 

       高效电源可以将诸如MOSFET之类的有源器件用作此类电路中的开关。使用更复杂的拓扑的原因通常是为了提高效率,降低噪声或充当电源控制。二极管导通时会在其两端产生固有电压降。这会导致功率耗散,但是其他有源元件的压降可能会低得多,因此功耗也会降低。SCR和TRIAC电路在低成本功率控制电路(例如下面的调光器示例)中特别常见,用于在输入市电交替时直接控制和控制传递到负载的电流。请注意,当这些实现在电路中没有变压器时,它们不是电动的-仅在适当的电路(如直接与市电相连的照明控制器)中有用。

 

       功率因数校正(PFC)

 

       这是转换器要理解的最复杂的方面。PFC是通过校正汲取到电压波形的电流的相对相位以保持最佳功率因数而提高转换器效率的重要元素。这降低了转换器可能会出现在市电电源上的“无功负载”特性。这对于保持高质量,高效的电网至关重要,并且供电公司甚至可以向功率因数较差的客户征收特殊的无功电流电价。无源或有源PFC是指是使用有源元件还是无源元件来校正相位关系。半导体PFC可以指具有集成控制器的专用IC,这些控制器经过定制,可以主动监视和调整PFC电路,减少组件数量并简化总体设计,同时获得更高的性能。它们可以合并其他功能,例如过压/欠压保护,过流保护,软启动和故障检测/响应。

 

       转换器是单级PFC转换器。本节中的电容器用于存储级的脉动输入功率和相对恒定的输出功率之间的不平衡能量。通常使用两级PFC转换器,因为它们不必处理通用电源中存储电容器上的电压范围那么宽,这会对转换效率产生不利影响。它们还可以在电容器尺寸方面提供更好的权衡,这可以帮助降低成本。

 

       功率级

 

       功率级控制通过变压器从初级侧传递到次级侧的功率。它包含一个有源开关设备,该开关设备可以以数百kHz的高频进行开关。开关的开/关状态由脉冲宽度调制(PWM)输入控制,该输入根据需要动态传递给负载的电量而变化。该信息是通过来自次级侧的反馈路径获得的,该反馈路径可以通过多种适应转换器隔离要求的技术进行通信。较高的频率开关导致对变压器的需求减少,从而减小了尺寸和成本。

 

       变压器

 

       变压器由缠绕在公共铁芯上的电线组成,这些电线通过电磁感应彼此耦合。当连接到高压(市电)电源时,这一点很重要-称为“离线”转换,因为电感耦合将市电与后续电路断开连接,这比直接连接安全得多。通过电磁场而不是直接的铜电路进行的这种耦合(称为“电流隔离”)限制了可能导致电击或危险的火花放电的最大能量传递给变压器磁场通量线中存储的能量。

 

       “ Mag Amp Reset”方框,该方框由于架构固有的磁化电流而使变压器退磁。没有这个,核心材料的剩磁将在功率级PWM的几个周期内使其饱和。尽管此教程过于复杂,但在查看转换器电路图时,此附加电路可能会非常令人困惑,并且了解为什么需要此电路很有用。有许多技术可以执行消磁,最简单的方法是在功率级开关关闭时,通过单独的辅助绕组将消磁电流反馈给二极管。该电路将最大PWM占空比限制为50%,但是可以使用更复杂的方法来实现更高的占空比。

 

       变压器或其他电流隔离方法(如光耦合器)经常用于在初级侧和次级侧之间传递信息信号。这有助于简化对转换过程的控制-使位于初级侧的控制电路能够响应次级侧负载的状态,并动态改变其控制电流的方式,从而获得更低的噪声和更高的效率。

 

       输出电路

 

       如过滤部分所述,无源电抗(存储)元件(如电容器和电感器)中的电场存储能量。在电荷转向整流后使用时,它们在交流输入功率循环期间充当能量的储存器。这是转换器中至关重要的元素,因为该储能器充当电源–在变化的负载条件下实现恒定的输出电压。有源元件可感应提供给负载的电压和/或流入负载的电流,并在负反馈控制环路中使用此信息来调节泵送的能量进入这些存储元件以保持恒定的输出电压电平。这种抽运过程使用有源元件来接通和切断流入存储元件的电流,这在广义的调节概念下被称为。

 

       调节

 

       无论负载的动态阻抗如何,我们都需要向负载电路提供恒定的电压。否则,可能会导致电压过高或过低,从而导致虚假电路行为,甚至损坏电路。对于低压数字电子设备尤其如此,在低压数字电子设备中,必须将电源电压严格限制在标称值的百分之几的窗口内。反应性元素对此没有任何内置控制。AC / DC转换器实现输出电压窗口严格控制的方式是有条件地控制存储在低阻抗无功存储源中的能量。

 

       随着这些元件的功率消耗,电压输出将随着时间而变化,并且还可能由于器件的非理想特性(例如串联电阻或寄生电容)而引起变化。需要某种动态控制来为该源充电。这称为调节。像微处理器这样的负载会在执行不同的操作时改变其所需的功率,这加剧了对有源动态调节的需求。

 

       调节控制是控制开关元件的反馈电路。在这种情况下,开关元件位于转换器的初级侧。为了使开关有效,它必须硬接通(可能的最低阻抗)或硬关断(可能的最高阻抗)–因为在两种状态之间会导致流过开关的功率耗散和浪费。诸如MOSFET的半导体开关是非理想的,并且表现出一定的阻抗,它们会耗散能量,从而降低了转换效率。实际上只有两种控制开关的方法,即通过改变开关的占空比来进行控制,这称为脉冲宽度调制(PWM)或控制开关频率。

 

       非谐振模式转换器采用硬开关技术,但谐振模式转换器采用了更智能的软开关技术。软开关意味着在零电压或零电流点处接通或断开交流波形,从而消除了开关损耗并导致了非常高效的架构。同步整流等技术用有源开关元件(例如MOSFET)取代了整流二极管。通过控制与输入AC波形同步的开关,可使MOSFET在适当的时间以非常低的导通电阻和较小的压降导通-与二极管整流相比,可实现更高的效率。

 

       调节电路如何知道何时切换?控制模式有两种主要方法:电压控制和电流控制。调节器利用一种或两种方法的组合来调节提供给负载电路的电压。

 

       电压控制方式

 

       调节电路检测输出电压,并将其与参考电压进行比较以产生误差函数。误差信号会修改开关比,以使输出更接近所需的电平。这是最简单的控制方法。

 

       电流控制模式

 

       感应到的输出电压和电感器电流,以及用于控制占空比的组合。内部的“电流感测环路”使负载变化的响应时间更快,但比电压控制模式更为复杂。

       除了控制方法之外,使调节元件更加复杂的是,转换器作为换向周期的方式被称为连续或不连续操作模式。连续工作模式是一种电感电流永远不会降为零的模式(如果转换器拓扑为1)。这是较低的输出纹波,因此是较低的工作模式,但是由于电感器始终处于导通状态,因此始终会在其非理想的串联导通损耗中消耗一些能量。在不连续模式下,电感器电流允许为零,从而使负载从存储电容器获取能量。这是一种较高效率的操作模式,但可能会产生更多的纹波和较差的调节控制。

 

       转换器类型

 

       简要介绍一下,有几种与它们的拓扑相关的转换器类型,包括反激和降压反激架构。这些是常见的拓扑结构,因为它们合并了变压器,组件数量少并且相对于其他选项而言成本较低。反激式转换器是降压-升压转换器(升压/降压),其电感器由变压器代替。变压器内部存储的能量用于通过有源或无源整流电路对次级线圈进行整流。最常见的反激式转换器使用不连续模式(DCM)-变压器中流动的电流为零-因为它通常具有最简单的控制环路和最低的成本。更高的功率水平需要使用连续电流模式(CCM)反激式转换器,但由于连续导通,会导致更高的变压器绕组损耗。

 

       许多电源会根据负载水平在模式之间切换。反激式拓扑上的准谐振(QR)和谷值切换/可变频率变化是更复杂的电路,它们可以优化何时以及如何进行切换以提高效率。QR反激通过回收非理想漏感的能量来实现此目的,而谷底开关可减少由过冲引起的尖峰。它们通常用于低功耗应用。反激式拓扑上的准谐振(QR)和谷值切换/可变频率变化是更复杂的电路,它们可以优化何时以及如何进行切换以提高效率。QR反激通过回收非理想漏感的能量来实现此目的,而谷底开关可减少由过冲引起的尖峰。

 

       它们通常用于低功耗应用。反激式拓扑上的准谐振(QR)和谷值切换/可变频率变化是更复杂的电路,它们可以优化何时以及如何进行切换以提高效率。QR反激通过回收非理想漏感的能量来实现此目的,而谷底开关可减少由过冲引起的尖峰。它们通常用于低功耗应用。

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