降壓型開關(guān)電源教程

第第頁(yè)降壓型開關(guān)電源教程今天我們一起學(xué)習(xí)降壓型（開關(guān)電源）。

為什么需要開關(guān)電源

在之前的

（線性穩(wěn)壓器）（教程）

中，我們學(xué)習(xí)了L7805等線性穩(wěn)壓器的使用。它們使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是效率低下。

例如，如果您嘗試用26伏電壓為線性穩(wěn)壓器（供電），并且輸出電壓為5伏（電流）為3安培，則最終會(huì)產(chǎn)生63瓦的熱量。如此巨大的能量浪費(fèi)是不可接受的。

對(duì)于大功率項(xiàng)目，你希望使用所謂的開關(guān)電源。有各種不同類型的開關(guān)電源，可以讓你將一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓。

本文主要討論降壓型（Buck（or）Step-down）開關(guān)（電源）。它是一種可以將較高電壓降低到較低電壓的電源。

原理

讓我們先從一個(gè)簡(jiǎn)單的電路開始。電路由一個(gè)10伏的直流電源串聯(lián)一個(gè)開關(guān)組成。

開關(guān)是什么并不重要。它可以是雙極性（晶體管），MOS管，甚至可以是瘋狂推動(dòng)（機(jī)械）開關(guān)的瘋子。

出于效率原因，開關(guān)應(yīng)該使用場(chǎng)效應(yīng)（MOS）管。但現(xiàn)在我們?cè)陔娐分羞€是用通用開關(guān)符號(hào)。接下來(lái)讓我們用占空比為50%的脈沖寬度調(diào)制（PWM）（信號(hào)）來(lái)控制開關(guān)的斷開和閉合。

這會(huì)給我們輸出一個(gè)一個(gè)占空比為50%的方波，一半時(shí)間為10伏，一半時(shí)間為0伏，這樣平均電壓就是5伏。

現(xiàn)在讓我們添加一個(gè)LC低通（濾波器）。電感抵抗電流的突變，（電容）抵抗電壓的突變。綜合效果是我們的LC低通濾波器抹平了方波，我們?cè)谳敵錾汐@得了5伏的相對(duì)穩(wěn)定的直流電。

但是上面這個(gè)電路有個(gè)問題。假設(shè)開關(guān)已閉合，我們的電源正在輸送一些電流。這意味著電流正流過這個(gè)（電感器）。

現(xiàn)在讓我們斷開開關(guān)。由于電感中的電流不能立即改變，這意味開關(guān)斷開的一小段時(shí)間內(nèi)仍然有電流流過電感。

但是電感左側(cè)沒有接任何器件，所以在這里積累大量帶負(fù)電荷的（電子）（電子的流動(dòng)的方向是和傳統(tǒng)電流方向相反的）。從而產(chǎn)生一個(gè)巨大的負(fù)電壓毛刺。

這種電壓毛刺可以達(dá)到數(shù)百甚至數(shù)千伏。

如此巨大的負(fù)電壓毛刺足以燒毀連接在此處的任何開關(guān)。如果您想了解有關(guān)這種現(xiàn)象的更多信息，請(qǐng)查看我另一篇文章：電感毛刺。在那篇文章中，提到了一個(gè)解決辦法，就是添加一個(gè)（二極管）。二極管就位后，現(xiàn)在無(wú)論何時(shí)斷開開關(guān)，電流都可以在一個(gè)完整的路徑中流動(dòng)，并且開關(guān)后的電壓幾乎不會(huì)低于零，因?yàn)槎O管的存在，電感左側(cè)電壓最多比接地低0.7伏（二極管壓降電壓），（肖特基）二極管會(huì)更低。

下圖是經(jīng)典的降壓型開關(guān)電源電路，你可以使用這個(gè)基本電路以比線性穩(wěn)壓器（（Linear）VoltageRegulator）更有效的方式將高電壓直流電降低到電壓較低的直流電。

使用（Arduino）搭建

我們使用Arduino搭建一個(gè)降壓型直流電源（BuckConver（te）r）。這個(gè)電路僅用來(lái)學(xué)習(xí)降壓型開關(guān)電源的作用，不具有實(shí)際用途。Arduino可以輸出方波(PWM),我們可以利用它輸出的方波作為控制信號(hào)，在面包上搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓型開關(guān)電源。

無(wú)反饋

我們使用P溝道場(chǎng)效應(yīng)管I（RF）9540來(lái)開關(guān)主電源，這里我使用可調(diào)電源輸出的12伏電壓。因?yàn)锳rduino的驅(qū)動(dòng)能力不足，不足以直接驅(qū)動(dòng)IRF9540,我們使用一個(gè)NPN型BJT晶體管S8050來(lái)驅(qū)動(dòng)IRF9540。我們（編程）讓Arduino輸出31k赫茲的控制方波。旋轉(zhuǎn)（電位器）可以改變輸出方波的占空比。這樣，當(dāng)ArduinoD3腳輸出高電平時(shí)，三接管導(dǎo)通，拉低N溝道場(chǎng)管的門級(jí)（G)，場(chǎng)管導(dǎo)通；當(dāng)D3輸出低電平時(shí)，三極管斷開，場(chǎng)管門級(jí)為高電平，場(chǎng)管關(guān)斷。

電位器一個(gè)引腳接在Arduino的5V引腳上，一個(gè)引腳接地，這樣電位器中間引腳可以輸出0~5伏電壓。

A0引腳:接可調(diào)電位器的中間引腳。用于調(diào)節(jié)方波的占空比。

D3引腳：輸出31k赫茲的控制方波，用于控制開關(guān)IRF9540的關(guān)斷。

/**這是用arduino制作的降壓型開關(guān)電源的示例代碼。*我們使用AruinoUno.Nano也是可以的。*D3引腳輸出控制方波*Nofeedb（ac）kisconnectedhere.*/intpoten（ti）ometer=A0;//接可調(diào)（電阻）中間引腳intPWM=3;voidsetup(){（pi）nMode(potentiometer,INPUT);pinMode(PWM,OUTPUT);//引腳3和11，輸出PWM方波頻率：31372.55HzTCCR2B=TCCR2B}voidloop(){floatvoltage=（analog）Re（ad）(potentiometer);intVALUE=map(voltage,0,1024,0,254);analogWrite(PWM,VALUE);}

我們?cè)诿姘迳辖M裝好電路，使用一個(gè)12伏的燈泡作為負(fù)載。（示波器）探頭CH1接在Arduino輸出的控制方波上，CH2接在電壓輸出端。調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)輸出電壓，可以看到燈泡也隨著變亮。

這個(gè)電路可以在負(fù)載不變的情況下維持穩(wěn)定的電壓。但是如果負(fù)載變了，輸出電流就會(huì)改變，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓改變。如果想要在負(fù)載改變的情況下，維持電壓不變，需要有一個(gè)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)輸出電壓，如果輸出電壓變低，則可以增加輸出方波的占空比，如果輸出電壓變高，則可以減小輸出電壓的占空比，進(jìn)而維持輸出電壓不變。

有反饋

我們給我們的開關(guān)電源加一個(gè)反饋系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在負(fù)載改變的情況下，維持輸出電壓不變。我們使用Arduino監(jiān)控輸出電壓，如果低了，我們就增加方波占空比，進(jìn)而拉高輸出電壓；如果輸出電壓高了，我們減小占空比，進(jìn)而減小輸出電壓。因?yàn)殡娐份敵鲭妷旱姆秶鸀?~12伏，而Arduino（ADC）的最大輸入電壓為5伏，不能直接（檢測(cè)）輸出電壓。我們需要將輸出電壓降到5伏以下，我們使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)。

帶反饋的完整的電路如下：

A0引腳:接可調(diào)電位器的中間引腳。用于調(diào)節(jié)方波的占空比。

A1引腳：接反饋電阻，用于監(jiān)控輸出電壓。

D3引腳：輸出31k赫茲的控制方波，用于控制開關(guān)IRF9540的關(guān)斷。

帶反饋的降壓型開關(guān)電源代碼如下：

/**這是用arduino制作的降壓型開關(guān)電源的示例代碼。*我們使用AruinoUno.用Nano也是可以的。*A0引腳:接可調(diào)電位器的中間引腳。用于調(diào)節(jié)方波的占空比。*A1引腳：接反饋電阻。*D3引腳：輸出31k赫茲的控制方波。*/intpotentiometer=A0;//接可調(diào)電阻中間引腳intfeedback=A1;intPWM=3;intVALUE=0;voidsetup(){pinMode(potentiometer,INPUT);pinMode(feedback,INPUT);pinMode(PWM,OUTPUT);//引腳3和11，輸出PWM方波頻率：31372.55HzTCCR2B=TCCR2B}voidloop(){floatvoltage=analogRead(potentiometer);floatoutput=analogRead(feedback);if(output>voltage){//輸出電壓大了，減小占空比VALUE=VALUE-1;VALUE=constrain(VALUE,1,254);}elseif(output

一站式解決方案

上面的降壓型開關(guān)電源，羅里吧嗦，又是方波，又是反饋，挺麻煩的。市面上有多種降壓型開關(guān)電源（芯片），提供一站式解決方案。。比如LM2576T-ADJ這款芯片，使用反饋電阻可以在負(fù)載變化的情況下，保證輸出電壓不變。

輸入可以在40伏的范圍內(nèi)。不要施加更高的電壓，否則可能會(huì)燒毀LM2576T-ADJ組件。在這種情況下，我們不需要外部開關(guān)，因?yàn)長(zhǎng)M2576T-ADJ里面已經(jīng)有了。將電壓反饋引腳連接到輸出分壓器后，LM2576T-ADJ將根據(jù)輸出電壓的高低改變輸出控制方波的占空比以保持輸出電壓恒定。在這種情況下，使用肖特基二極管，因?yàn)樗哂械驼驂航惦妷骸?/p>

焊起來(lái)

像這種大電流，而且有的器件要求盡量靠近芯片引腳的東西，我們就不要在面包板上搞了。我們使用洞洞板搞。

首先在把LM2576T-ADJ焊接在洞洞板的中間，在它周圍留下大量的空間，以安裝其他器件。

輸入端的濾波（電解電容）焊接在芯片的一兩厘米內(nèi)。

同樣的方法焊接輸出端的二極管、電感，保持元件連線盡可能短：

再焊上輸出濾波電容：

當(dāng)焊接反饋電阻時(shí)，盡量使返回芯片的導(dǎo)線盡可能短。

電路板底部的布局比頂部更重要。注意我的地線是一條直線，那兩個(gè)藍(lán)色的是100nF濾波電容，輸入輸出各一個(gè)：

最后的效果：

跑起來(lái)

一切準(zhǔn)備就緒就緒。我將用10伏電壓作為我的開關(guān)電源的輸入電壓。我將使用我的可調(diào)節(jié)電子負(fù)載來(lái)查看它如何提供不同大小的電流。

如果你在家中這樣做，你可以使用5歐姆10瓦的功率電阻器作為負(fù)載。

首先，讓我們檢查一下輸出電壓是我們想要的。他是完美的5伏直流電！

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看電路中的這個(gè)節(jié)點(diǎn)，它被稱為開關(guān)節(jié)點(diǎn)，也就是LM2576-ADJ的2腳：

您可以看到我們熟悉的0到10伏方波，開關(guān)頻率為50.65kHz。但是你可以看到占空比為59.5%，而不是理論上的50%，此時(shí)的負(fù)載電流為1安培。

如果我將負(fù)載增加到2安培，占空比增加到63%。在3安培時(shí)，功率損失更大，（控制器）必須將占空比更改為67%才能夠維持穩(wěn)定的5伏輸出：

還記得我之前說(shuō)過我們得到了一個(gè)完美的5伏直流電嗎？那并不是真實(shí)的情況。讓我們將示波器的（耦合）更改為交流耦合并放大波形?？梢钥吹皆谳敵錾嫌幸粋€(gè)小的交流分量，因?yàn)槲覀兊牡屯V波器并不完美。我們稱其為電源的輸出紋波。在1安培負(fù)載下，我們有大約10毫伏的紋波和噪聲。

如果我將負(fù)載電流增加到3安培，紋波變得更加嘈雜，達(dá)到了16.7mV：

如果我將輸入電壓增加到26伏，紋波波形會(huì)變大，達(dá)到了33mV。

理想情況下，我們希望這種紋波盡可能小。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，低于100毫伏的峰峰值就可以了。但一般來(lái)說(shuō)，您不想用開關(guān)電源為無(wú)線電接收器等敏感電路供電。