电源的工作原理，第5部分

作为最简单的电路，我来介绍一种只用一个二极管和一个电容的方案。这种电路用于反激式电源，而如今绝大多数电源都采用这种拓扑。


在成品电源中，它的样子如这张照片所示。
这类电源通常随价格低廉的设备附送。


接下来是全波整流电路。这种电路以前我用得相当多，但最近已被另一种方案取代，后面我会介绍。
这种电路结构最常见于大功率电源，尤其适合采用IR2151-2153驱动器的非稳压电源，我在上一部分中介绍过这类电源。


正如我当时所说，它很适合用来构建非稳压的初级电源。这类电源效率高，可用于给其他设备供电，例如这台实验室电源中的电源模块。


这种电路的一个特别优势是很容易改成双电源，用来给功率放大器供电。改成这种形式只需再加一对二极管和一个电容。


反激式电路功率不够时，就会采用正激式方案。在这里，一个开关周期内，能量先储存在电感中，然后经下方的二极管送入负载。这种电路结构与经典的降压转换器非常相似。


要判断电源是否采用这种电路结构很简单：电路板上会有一个体积较大的电感。滤波用的电感很少会做得这么大，所以不难分辨。


不过，这种电路还有一种替代方案，最常见于电脑电源，其渊源可以追溯到最早的AT规格电源。


这里有一个储能电感，功率变压器的初级绕组与控制变压器的一个绕组相连。如果把电感从电路中拆掉，电源在负载超过一定值时就会损坏。
前一种电路也一样。


要区分最后两种电源很容易：左边的是仿照AT规格电源搭建的，晶体管旁边的变压器一眼就能看出来；右边的是单端正激式电源，这里没有变压器。
电感的尺寸不同，这是工作频率不同所致，有时也只是厂商为了节省成本。较小的电感在工作时很可能会过热，而且电路在最大功率下也可能不太可靠。


开关电源的输出端通常使用肖特基二极管。与普通二极管相比，它有两个重要优点：
1. 正向压降小1.5-2倍
2. 开关速度更快，因此切换时的损耗更小。

对于输出电压较高的电源，通常使用普通二极管，因为高压普通二极管和肖特基二极管的正向压降大致相同。不过，肖特基二极管速度更快，可以降低缓冲电路的损耗，所以我建议在这里也使用它。


整流后，电容上会有明显的纹波，因此后面会接一个LC滤波器，简单来说就是一个电感和一个电容。


举个例子，这是一个“平民款”电源，可以清楚地看到电感和两个电容。


电感不一定要很大，也可以做得非常小巧。虽然效果会差一些，但总比没有强。


有时明明预留了位置，却根本不装电感。这纯粹是“省小钱”的做法，我一直建议在这个位置装上电感。


举例来说，下面对比了不装电感和装上电感时的纹波水平。不过要注意，装上电感后，第一个电容上的纹波会增大，因为它要承受“冲击”电流。通常它也是最先损坏的元件。


可以在电解电容两端并联陶瓷电容来改善情况。这样能显著减轻电解电容的工作负担。 不过要注意，它们只有在电源功率相对较小、更准确地说是电流相对较小时，才能有效发挥作用。当然也可以多装一些这样的电容，但成本高、占地方。


改装时，可以把电容直接焊在电解电容的引脚上。
我使用的电容容量为0.1-0.47 µF。


要进一步改善工作性能，还应更加注意电路板的布线。如果按照我在示意图中展示的方式来布线，纹波还能再降低一些，而且这不需要花钱。


最后一步是在电源输出端安装共模电感。这种做法最常见于需要通过辐射干扰认证的品牌电源中，而廉价电源里几乎见不到。


接下来谈谈输出电容。
如果你用的是廉价电源，那么很可能会看到输出端装的是完全没有品牌标识的电容。


或者是冒充知名品牌的假货。例如，常见的电源里会用冒牌的Sanyo或Nichicon电容，检查起来很简单，看标识就行。你很可能根本找不到这个系列的电容，或者该系列没有你手上这种规格和尺寸的型号，又或者外观颜色不同，就像这个例子一样。
这类假货其实还不算最差的选择，但最好还是用正品。
顺便说一句，双管正激电源中的电容通常寿命更长，对其质量的要求也比单管反激电源低。


不过无论如何，最好还是使用正品电容，而不是冒用品牌名的替代品。照片中是Mean Well的电源。


为了减轻电容的负担，可以用多个小容量电容代替一个大容量电容。这样负载分配得更均匀，电容的寿命也更长。


稳压电路。
最简单的方案是通过变压器辅助绕组的反馈来稳定电压。不过这种方案的稳定性也最差，因为绕组之间的磁耦合和直流电阻都会产生影响；好处是成本低。


下一种方案更复杂一些，这里用稳压二极管作为阈值元件。在这种方案中，电源输出电压等于稳压二极管上的压降加上光耦LED上的电压。电路性能一般，但用于要求不高的负载完全够用。


例如，这款电源就采用了这种稳压方式。光耦附近的上方没有元件。


下方装有稳压二极管和几个电阻。


而采用可调稳压二极管TL431的电路，性能要好得多。它的工作性能和稳压精度都高得多，温度变化时也能更好地保持参数稳定。


它在电路板上的样子通常如照片所示。


它看起来和TO-92封装的普通晶体管差不多，区别只在于标识。这是最常见的封装形式。你也可能遇到另一种形式：SOT-23 SMD封装。


不同封装形式的引脚排列。


例如，“常见款”电源采用了SMD封装。照片中可以看到反馈分压电阻和辅助电阻，例如用于上拉到电源端、为稳压二极管提供最小工作电流的电阻。


再看两张照片：电路板上面没有元件，TL431稳压二极管装在下面。



有时会在反馈回路中安装一个可调电阻。 不过首先，我先简单说一下分压器的计算方法。
如果采用由两个电阻组成的标准分压器，电阻值应这样选择：在所需输出电压下，两个电阻的连接点电压为2.5 V。TL431就是按这个电压设计的。不过要注意，这款芯片也有较低基准电压的版本，为1.25 V，只是少见得多。
接下来谈谈微调电阻。为了调节方便，电路板上可能会装一个微调电阻，用来在较小范围内调整输出电压，通常为±10%～20%。不建议调节范围更大，否则电源可能工作不稳定。
微调电阻应始终与分压器下臂电阻串联。这样一来，如果微调电阻损坏，电源输出会降到最低电压，而不会像把微调电阻放在上臂时那样升到最高电压。
此外，微调电阻的可靠性往往不高。如果你不需要这个功能，最好先选好阻值，再用固定电阻替换它。


整个电路在电路板上的布局如下。


再简单说说输出负载电阻。
开关电源在没有负载时工作得不太好，因此通常会在输出端并联一个负载电阻，提供电源稳定工作所需的最小负载。
这种做法也有缺点：电阻通常会发热，有时还相当明显。此外，如果电容装在旁边，电阻还会把它们烤热，就像这张照片里这样。


有时电阻会热到电路板上都能看出过热痕迹。不仅如此，如果它加热了反馈分压器的电阻，而这些电阻又是普通型号，并非精密或温度稳定型，那么这种热量还会影响电源的稳定性。
电阻发热后，参数会发生变化，电源的输出电压也会随之改变。因此，分压器电阻应尽量布置在不易受热的位置；此外，最好使用精密电阻，它们受温度影响要小得多。


有时厂家会选错负载电阻的阻值，导致它的发热超过允许范围。例如，24 V版本的“平民”电源就遇到了这种情况，后来我只好把它换成阻值大一倍的电阻。


要让电源可靠工作，元器件的选型一定要仔细。
二极管的额定电流，双端拓扑按两倍余量选择，单端拓扑按三倍余量选择。例如，电源输出电流为5～7 A，就选用15～20 A的二极管。
二极管的耐压至少应为电源输出电压的4倍：12 V电源选60 V二极管，24 V电源则选100 V。
这些参数都可以在二极管的数据手册中查到。


二极管本体上通常也会标出这些参数。


电容应选择低阻抗型，也就是LowESR电容，这一点通常也会在元器件的数据手册中注明。
容量按每1 A输出电流500～1000 µF来选。耐压方面，双端拓扑应为输出电压的1.5～2倍；反激式单端拓扑则至少应为输出电压的2倍。


品牌方面，尽量选择知名品牌。我在输入滤波器那篇文章里也写过这一点，这里的建议相同。






输出电感就简单多了，电感的额定电流至少要等于电源的最大输出电流。最好选额定电流更大的电感，这样发热会小得多。电感量为4.7～22 µH，具体取决于输出电流；输出电流越大，所需电感的体积也会相当大。


电感通常做成“哑铃”形，或者采用“屏蔽式”封装，后者多用于表面贴装。



大致就说到这里，当然还有本文的视频版。和往常一样，欢迎大家提问和提出建议。