手机充电器如何具有可变输入电压和恒定输出电压?
现代 AC-DC 电源分三步进行电压转换。粗略地说,过程如下。
首先,他们将交流电整流为直流电,因此 100 V 交流电变成约 140 V 直流电,而 240 V 交流电则产生约 340 V 直流电。这是第一步。这是转换器第二级处理的电压范围。这个电压在 100-120 Hz 时会产生可怕的波纹。
第二级是一个“斩波器”,将高压直流调制成高频脉冲,100 kHz 之类的。有一个控制器 IC 可驱动一对强大的 MOSFET,这些 MOSFET 加载有隔离变压器的初级绕组。正如您适当指出的那样,变压器具有固定的绕组比,因此输出脉冲将具有与输入直流成比例的可变幅度(即 140 至 340V,不包括来自 50/60 Hz 初级整流的纹波)。
然而,斩波器也会产生这些不同宽度的脉冲,这被称为 PWM - Pulse-Width-Modulation。因此,变压器的输出,当通过“中途”二极管整流器整流并用大输出电容器平滑时,平均可以具有可变幅度:窄脉冲使平均幅度较低,反之亦然。这是 AC-DC 转换器的第三级。
因此,虽然变压器具有固定的绕组比,但 PWM 仍然允许在相当大的范围内改变整流器的输出,从而适应固定的变压器比和广阔的输入电压范围,包括电压纹波。
最终控制和电压稳定是通过使用线性光隔离器的负反馈机制完成的。如果整流电压过高,反馈会使控制器 IC 产生更窄的脉冲,因此电压下降,反之亦然。这种反馈机制不仅关注电压,还控制传递到 PSU 负载的总功率。
变压器如何容忍不对称波形有一些细节,幕后有一些精细的工程技巧,但基本上就是这样。
如果您想确定一个负责恒定输出电压的“组件”,那么它就是“反馈”。
包括反激式变压器的正向路径将可控的功率推至输出端。测量输出端的电压,反馈要求每时每刻提供更小或更大的功率,以保持电压恒定。
正向路径设计为能够在输入范围内的任何电压下运行,这需要在设计上稍加注意,但相当简单。
反激式转换器的工作方式是,其输出电压可调整为提供所需功率所需的任何电压。它可以按大比例升压或降压,以使其与输入和输出电压比匹配。
除了调节电压之外,手机充电器还必须做几件事。它必须将交流转换为直流,大幅降低电压并在输入和输出之间提供充分的隔离。
由于我们只关心监管,因此让我们考虑一个 DC-DC“车载”充电器,它在可能高达 28V 的典型宽电压范围内接受 DC,并将其转换为 5V。
充电器可能使用快速开关晶体管和二极管在输入电压和地之间快速切换,然后使用 LC 滤波器来平滑切换并输出平均电压。得到的传递函数为 Vout=D*Vin,其中 D 是 PWM 占空比。对于合理的输入电压,将有一个产生 5v 的“D”值。
在其最简单的形式中,D 由控制“误差放大器”设置,将 Vout 与参考电压进行比较。
在更精细的版本中,修改了 PWM 电路以消除 Vin 的影响,其中两个示例是“前馈”和“电流模式”。在电流模式下,当电感中的电流达到某个值时,PWM 脉冲结束。如果输入电压较高,则该值会更快达到,但输出相对不受影响。
如果这种 DC-DC 设计“升级”为包括变压器,那么它会提供流行的“正向”配置,该配置比反激式更紧凑和高效,因为变压器可以使用针对变压器使用优化的磁性部件(铁氧体)和电感器可以使用电感器用零件(铁粉)。
反激式转换器中的“变压器”在技术上不是变压器,而是两个耦合电感器。与变压器不同,它将磁能存储在气隙中。能量存储器在扫描期间通过开关(晶体管)充电,在回扫期间通过二极管放电。源和负载永远不会同时连接,因此匝数比不适用。
相反,占空比或开关比才是重要的,因为任何电感器上的平均电压必须为零。这个比例很容易改变。输出电压通常由具有反馈的调节器主动调节,即针对负载变化进行稳定。
反激转换器利用水平偏转的快速反激(或回扫)为 CRT 显示器产生高压,因此得名。
编辑:匝数比也很重要,但没那么重要。