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了解电源IC中的交流和直流电源 [复制链接]

本帖最后由 漫的瞳孔 于 2022-4-11 11:05 编辑

电源是一种电气设备,它将来自电源(如电源)的电流转换为为负载(如电机或电子设备)供电所需的电压和电流值。
电源的目标是以适当的电压和电流为负载供电。电流必须以受控的方式(并具有精确的电压)提供给各种负载,有时是同时提供,所有这些都不会让输入电压或其他连接设备的变化影响输出。
电源可以是外部的,常见于笔记本电脑和手机充电器等设备,也可以是内部的,例如台式计算机等大型设备。
电源可以是稳压的,也可以是非稳压的。在稳压电源中,输入电压的变化不会影响输出。另一方面,在非稳压电源中,输出取决于输入的任何变化。
所有电源都有一个共同点,那就是它们从输入端的电源获取电力,以某种方式转换它,并将其输送到输出端的负载。输入和输出端的功率可以是交流电(AC)或直流电(DC):

  1. 当电流沿一个恒定方向流动时,就会发生直流电(DC)。它通常来自电池,太阳能电池或AC/DC转换器。直流是电子设备的首选电源类型。
  2. 交流电(AC)在电流周期性地反转其方向时发生。交流电是用于通过输电线路向家庭和企业输送电力的方法

因此,如果交流是输送到您家中的电源类型,而DC是您需要为手机充电的电源类型,那么您将需要AC/DC电源,以便将来自电网的交流电压转换为为手机电池充电所需的直流电压。

 

了解交流电(AC)

任何电源设计的第一步都是确定输入电流。在大多数情况下,电网的输入电压源是交流电压源。 交流电的典型波形是正弦波(见图1)。

交流波形和基本参数

图1:交流波形和基本参数

 

使用交流电源时,必须考虑以下几个指标:

  1. 峰值电压/电流:波可以达到的最大振幅值
  2. 频率:波每秒完成的周期数。完成单个周期所需的时间称为周期。
  3. 平均电压/电流:一个周期内电压所经过的所有点的平均值。在没有叠加直流电压的纯交流波中,该值将为零,因为正负两半相互抵消。
  4. 电压/电流的均方根:定义为瞬时电压平方的一个周期内均值的平方根。
  5. 它也可以定义为产生相同加热效果所需的等效直流功率。尽管定义复杂,但它被广泛用于电气工程,因为它可以让您找到交流电压或电流的有效值。因此,它有时表示为VAC
  6. 相位:两个波之间的角差。正弦波的完整循环分为360°,从0°开始,在90°(正峰值)和270°(负峰值)处具有峰值,并在180°和360°处两次穿过起始点。如果将两个波绘制在一起,并且一个波达到其正峰的同时另一个波达到其负峰,则第一波将在90°,而第二波将在270°;这意味着相位差为180°。这些波被认为是反相的,因为它们的值总是有相反的符号。如果相位差为0°,那么我们说两个波是相位的。

交流电(AC)是电力从发电设施传输到最终用户的方式。它用于电力运输,因为在运输过程中需要多次转换电力。

发电机产生约40,000V或40kV的电压。然后将该电压升压至150kV至800kV之间的任何位置,以减少长距离传输电流时的功率损耗。一旦到达目的地区域,电压就会降压到4kV至35kV之间。最后,在电流到达单个用户之前,根据位置的不同,将其降低到120V或240V。

所有这些电压变化对于直流电(DC)来说要么是复杂的,要么是非常低效的,因为线性变压器依赖于电压波动来传递和转换电能,因此它们只能使用交流电(AC)。

 

线性与开关交流/直流电源

线流/直流电源

线性AC/DC电源具有简单的设计

通过使用变压器,交流(AC)输入电压降低到更适合预期应用的值。然后,将降低的交流电压整流并转换为直流(DC)电压,该电压被滤波以进一步改善波形质量(图2)。

线性AC/DC电源框图

图2:线性AC/DC电源框图

传统的线性AC/DC电源设计多年来不断发展,在效率、功率范围和尺寸方面有所提高,但这种设计存在一些重大缺陷,限制了其集成。

线性AC/DC电源的一个巨大限制是变压器的尺寸。由于输入电压在输入端发生变换,因此必要的变压器必须非常大,因此非常重。

在低频(例如50Hz)下,需要大电感值才能将大量功率从初级线圈传输到次级线圈。这需要大型变压器磁芯,这使得这些电源的小型化几乎是不可能的。

线性AC/DC电源的另一个限制是大功率电压调节。

线性AC/DC电源使用线性稳压器来保持输出端的恒定电压。这些线性稳压器以热量的形式消耗任何额外的能量。对于低功耗,不会造成太大问题。然而,对于高功率,稳压器为保持恒定输出电压而必须散发的热量非常高,并且需要添加非常大的散热器。

 

开关交流/直流电源

新的设计方法已经开发出来,以解决与线性或传统AC/DC电源设计相关的许多问题,包括变压器尺寸和电压调节。

由于半导体技术的发展,特别是由于大功率MOSFET晶体管的创建,开关电源现在成为可能,即使存在大电压和电流,也可以非常快速有效地打开和关闭。
开关式AC/DC电源可创建更高效的电源转换器,从而不再消耗多余的功率。
使用开关电源转换器设计的 AC/DC 电源称为开关模式电源。AC/DC开关模式电源将交流电源转换为DC的方法稍微复杂一些。

在开关交流电源中,输入电压不再降低;相反,它在输入端被纠正和过滤。然后直流电压通过斩波器,斩波器将电压转换为高频脉冲序列。最后,波经过另一个整流器和滤波器,将其转换回直流电(DC),并消除在到达输出之前可能存在的任何剩余的交流电(AC)分量(见图3)。

在高频下工作时,变压器的电感器能够在不达到饱和的情况下传输更多功率,这意味着磁芯会变得越来越小。因此,用于切换AC/DC电源以将电压幅度降低到预期值的变压器可以是线性AC/DC电源所需变压器尺寸的一小部分。

开关模式AC/DC电源框图

图3: 开关模式AC/DC电源框图

正如预期的那样,这种新的设计方法确实有一些缺点。

开关AC/DC电源转换器会在系统中产生大量噪声,必须对其进行处理以确保输出端不存在噪声。这就产生了对更复杂的控制电路的需求,这反过来又增加了设计的复杂性。然而,这些滤波器由易于集成的组件组成,因此不会对电源的尺寸产生重大影响。

更小的变压器和更高的稳压器效率在切换AC/DC电源时,是我们现在可以使用可以放在手掌中的电源转换器将220V¬RMS AC电压转换为5V DC电压的原因。

 

单相与三相电源

交流(AC)电源可以是单相或三相:

  1. 三相电源由三根导体(称为线路)组成,每根导体携带相同频率和电压幅度的交流电(AC),但相对相位差为120°,即三分之一个周期(见图4)。这些系统在提供大量电力方面效率最高,因此用于将电力从发电设施输送到世界各地的家庭和企业。
  2. 单相电源是向单个家庭或办公室提供电流的首选方法,以便在线路之间均匀分配负载。在这种情况下,电流从电源线流过负载,然后流回中性线。这是大多数装置中发现的供应类型,但大型工业或商业建筑除外。单相系统无法将尽可能多的电力传递给负载,并且更容易发生电源故障,但单相电源还允许使用更简单的网络和设备。

三相电源交流波形

图4: 三相电源交流波形

通过三相电源传输电力有两种配置:三角形(Δ)和wye(Y) 构型,也分别称为三角形和星形构型。

这两种配置之间的主要区别在于能够添加中性线(见图5)。

Delta连接提供更高的可靠性,但Y型连接可以提供两种不同的电压:相电压(供应给家庭的单相电压)和线路电压(用于为较大负载供电)。在Y配置中,相电压(或相电流)与线路电压(或线路电流)之间的关系是线路电压(或电流)幅度比相位幅度大√3倍。

由于标准配电系统必须同时为三相和单相系统供电,因此大多数配电网络都有三条线路和一条中性线。这样,家庭和工业机械都可以使用相同的传输线供电。因此,Y配置最常用于配电,而delta配置通常用于为三相负载(如大型电动机)供电。

Y和Delta三相配置

图5:Y和Delta三相配置

电网向用户提供单相电力的电压具有各种值,具体取决于地理位置。这就是为什么在购买或使用电源之前检查电源的输入电压范围非常重要,以确保其设计为在您所在国家的电网中工作。否则,您可能会损坏电源或连接到电源的设备。

如前所述,三相电源不仅用于运输,还用于为大型负载供电,例如电动机或为大型电池充电。这是因为在三相系统中并联应用功率可以将更多的能量传递给负载,并且由于三相的重叠,可以更均匀地这样做(见图6)。

单相和三相系统中的电力传输

图6:单相(左)和三相(右)系统中的电力传输

例如,为电动汽车(EV)充电时,您可以传输到电池的电量决定了电池的充电速度。

单相充电器插入交流电(AC)电源,并通过汽车的内部AC/ DC电源转换器(也称为车载充电器)转换为直流电(DC)。这些充电器的功率受到电网和交流插座的限制。

限制因国家/地区而异,但对于32A插座,限制通常小于 7kW(在欧盟,220 x 32A = 7kW)。另一方面,三相电源在外部将电源从交流电转换为直流电,并且可以将超过120kW的功率传输到电池,从而实现超快速充电。

 

总结

交流/直流电源无处不在。AC/DC电源的主要工作是将交流电(AC)转换为稳定的直流(DC)电压,然后可用于为不同的电气设备供电。

交流电用于在整个电网中传输电力,从发电机到最终用户。交流(AC)电路可以配置为单相或三相系统。单相系统更简单,可以提供足够的电力来为整个房屋供电,但三相系统可以以更稳定的方式提供更多的电力,这就是为什么它们经常用于为工业应用供电的原因。

设计高效的AC/DC电源并非易事,因为当前市场需要能够在各种负载下保持效率的高功率、极高效、极小的电源。

AC/DC电源的设计方法随着时间的推移而改变。线性AC/DC电源在尺寸和效率上受到限制,因为它们在低频下工作,并通过以热量形式消散多余的能量来调节输出温度。相比之下,开关电源已经变得非常流行,因为它们使用开关稳压器将交流电源转换为直流电源。开关电源以更高的频率工作,并且比以前的设计更有效地转换电能,这使得能够创建手掌大小的大功率AC/DC电源IC

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