直流電源速成班

電源可分為兩種類型：根據(jù)輸出電壓類型，可分為直流電源或交流電源。這些類型根據(jù)系統(tǒng)的終需求和項(xiàng)目規(guī)范所需的復(fù)雜性而變化。有時(shí)，普通轉(zhuǎn)換器不夠安全，尤其是在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中，毫無(wú)疑問(wèn)必須遵守安全元件。因此，直流電源必須遵守非常嚴(yán)格的操作標(biāo)準(zhǔn)，并且必須滿足的操作參數(shù)。

直流電源

工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中使用的電源需要滿足多項(xiàng)要求。單級(jí)轉(zhuǎn)換器不滿足其中的大多數(shù)。事實(shí)上，它們沒(méi)有在設(shè)備的輸入和輸出之間提供足夠的電流隔離，這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)給操作員和設(shè)備本身帶來(lái)重大安全風(fēng)險(xiǎn)。正因?yàn)槿绱?，設(shè)計(jì)人員更喜歡使用多級(jí)轉(zhuǎn)換技術(shù)（DC/AC 和 AC/DC），這些技術(shù)當(dāng)然更復(fù)雜，但提供了的安全系數(shù)。

電氣隔離是所需的另一個(gè)重要元素，通過(guò)級(jí)間變壓器的存在來(lái)確保。不同類型的轉(zhuǎn)換允許將直流電源分為不同的類別。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)直流電源時(shí)，必須滿足高功率密度、極高效率以及各種波形的低諧波失真；電源的體積和重量必須盡可能小；源和負(fù)載之間的電流隔離必須是的；并且必須有流向和功率因數(shù)控制的可能性。

因此，為了在與輸入隔離的同時(shí)消除輸出信號(hào)中的諧波問(wèn)題，使用了兩級(jí)電源。其中重要的一種是反激式轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖 1所示。它與負(fù)載電隔離。反激式轉(zhuǎn)換器的操作分兩個(gè)階段進(jìn)行：

在階段，電子開(kāi)關(guān) Q1 閉合，能量存儲(chǔ)在 Np 電感器中。

在第二階段，電子開(kāi)關(guān) Q1 打開(kāi)，能量通過(guò) Ns 傳遞給負(fù)載，從而避免了輸入和輸出之間的直接連接。

如果 Ns 在次級(jí)導(dǎo)通期間完全放電，則電源工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式；否則，它以連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)行。

圖 1：反激式轉(zhuǎn)換器原理圖

即使在電子仿真中，也始終建議考慮采用非理想電子元件。雖然理想元件可加快仿真過(guò)程并簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算，但使用真實(shí)元件可提供更高的準(zhǔn)確性，并且更接近實(shí)際電路的行為。事實(shí)上，真正的電子元件具有一些固有的缺陷，包括內(nèi)阻、寄生電容、飽和和溫度效應(yīng)、噪聲和其他非線性。

在仿真中預(yù)測(cè)這些影響有助于防止設(shè)計(jì)問(wèn)題并更準(zhǔn)確地評(píng)估電路可靠性和性能。然而，永遠(yuǎn)記住電子仿真是一種設(shè)計(jì)和分析工具，但不能完全取代實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這一點(diǎn)很重要。因此，采用真實(shí)的電子元件有助于確保模擬盡可能接近現(xiàn)實(shí)，使設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更容易、更快速，并有可能解決任何問(wèn)題。在這個(gè)例子中，一些電子元件的特征是有額外的非理想元素。它們?nèi)缦拢?/p>

電池的內(nèi)阻為 0.3 Ω。

開(kāi)關(guān)信號(hào)不是完美的矩形，而是包含持續(xù)約 2 毫秒的上升和下降斜坡。

電子開(kāi)關(guān)的大小設(shè)計(jì)為具有 0.2 Ω 的導(dǎo)通電阻和 1 MΩ 的關(guān)斷電阻。

初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)電感具有 0.1 Ω 的串聯(lián)電阻和幾皮法的并聯(lián)電容。

兩個(gè)電感的電感耦合并不理想，但已固定在90%。

所有這些非理想特性使得獲得相當(dāng)可靠的模擬成為可能。在電路工作的階段，Np 線性充電，而在第二階段，Np 傾向于保持電流恒定，其電壓反轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，次級(jí)電感器上的電壓允許電流流動(dòng)。電容起著至關(guān)重要的作用，如果它的值足夠高，輸出電壓是相當(dāng)恒定的。電感器繞組必須遵循的規(guī)則，它們的方向也必須符合特定標(biāo)準(zhǔn)，否則系統(tǒng)將無(wú)法工作。電感器是一種極化元件，但在這些情況下，其正確方向?qū)﹄娐返某晒χ陵P(guān)重要。值得注意的是電路的動(dòng)態(tài)信號(hào)，如圖2所示。它們?nèi)缦拢?/p>

從頂部開(kāi)始，張圖描述了電子開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào) （Vpulse）。在建議的示例中，它的頻率為 25 kHz，理論上是矩形信號(hào)。

第二張圖顯示了次級(jí)電感輸出端的信號(hào) （Vs）。當(dāng)然，由于電感器的存在，它包含大量非常高的頻率。這些是不需要的信號(hào)，應(yīng)使用多種技術(shù)盡可能消除或減少。

第三張圖顯示了初級(jí)電感 （Il1） 上的電流趨勢(shì)。

第四張圖顯示了次級(jí)電感 （Il2） 上的電流趨勢(shì)。

，第五張圖顯示了轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。它非常穩(wěn)定和連續(xù)，但仍然包含一些開(kāi)關(guān)信號(hào)的殘余。下面的頻譜圖證實(shí)了這一事實(shí)，它顯示了輸出信號(hào)的 FFT 分析。除了開(kāi)關(guān)頻率 （25 kHz） 的基波分量之外，還可以看到其他更高頻率的峰值，可達(dá)兆赫頻率。

所示示例使用正常的開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具有 50% 或可變占空比，但一些更復(fù)雜的設(shè)備使用更復(fù)雜的信號(hào)，以或多或少不同的步驟組織，具有不同的占空比和電壓率。

圖 2：出現(xiàn)在反激式轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)，以及輸出信號(hào)的頻譜圖

用的測(cè)量?jī)x器檢測(cè)次級(jí)電感上的電流信號(hào)，可以看到由于電路的電感元件與其他元件之間形成諧振而產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)（見(jiàn)圖3 ）寄生電感和電容元件（PCB、電線、金屬部件的幾何排列等）。

在此示例中，信號(hào)的幅度很小，但出于電路中存在的所有意圖和目的，其頻率約為 4 MHz。這是一個(gè)相當(dāng)正弦的信號(hào)，可以在系統(tǒng)運(yùn)行期間不斷重復(fù)，這可能會(huì)導(dǎo)致形成額外的干擾頻率。可以通過(guò)采用合適的低通濾波器來(lái)衰減這些頻率。在開(kāi)關(guān)設(shè)備中，存在由寄生和不需要的現(xiàn)象引起的高頻正弦（和非正弦）信號(hào)是很正常的。這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)失真、電磁干擾和噪聲，從而對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行及其可靠性產(chǎn)生不利影響。為了限度地減少此類影響，電路設(shè)計(jì)人員使用優(yōu)化 PCB 布局等設(shè)計(jì)技術(shù)，

圖 3：由于電路中的寄生元件，次級(jí)電感器上的電流可能包含高頻振蕩信號(hào)。

初級(jí)電感上的電流線性增加，可以通過(guò)以下關(guān)系計(jì)算：

其中i p是初級(jí)電感上的電流，V s是次級(jí)電感上的電壓，L p是初級(jí)電感的電感。

這種類型的電源在結(jié)構(gòu)上非常簡(jiǎn)單且便宜，并且通常在不太堅(jiān)固的負(fù)載不需要非常高的功率時(shí)使用。然而，輸出電壓可能很高。應(yīng)該記住，這種配置中使用的開(kāi)關(guān)設(shè)備通常在極端條件下工作，尤其是在施加電壓方面。此外，設(shè)計(jì)人員必須非常小心地抑制來(lái)自電源脈沖的干擾，這可能會(huì)在反向極化期間損壞 BJT。這種類型的電路設(shè)計(jì)可以很好地調(diào)節(jié)功率和電壓，這些值可以通過(guò)改變系統(tǒng)的某些操作參數(shù)來(lái)獲得。

結(jié)論

反激式轉(zhuǎn)換器是一種開(kāi)關(guān)電源，與傳統(tǒng)電源相比具有許多優(yōu)勢(shì)。由于它能夠產(chǎn)生高輸出電壓，因此可以高效可靠地提供電力。此外，由于其閉環(huán)架構(gòu)，它可以提供穩(wěn)壓和隔離的輸出電壓，保護(hù)用戶和電路免受電壓浪涌的影響。

盡管反激式轉(zhuǎn)換器對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)有吸引力的選擇，但它也帶來(lái)了一些需要解決的挑戰(zhàn)，例如電磁噪聲和過(guò)載波對(duì)電路性能的影響。但是，通過(guò)正確的設(shè)計(jì)和預(yù)防措施，可以限度地減少或解決這些問(wèn)題。

反激式轉(zhuǎn)換器為許多電子應(yīng)用提供靈活、高效和高度可定制的解決方案，使其成為希望限度地提高設(shè)備性能和可靠性并實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)成本的電路設(shè)計(jì)人員的理想選擇。