電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁(yè)式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目2 任務(wù)1 AC-DC電源模塊的使用

項(xiàng)目2供電電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目引入一般來(lái)說(shuō)，供電電路設(shè)計(jì)是指針對(duì)某個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的電力供應(yīng)需求進(jìn)行分析、計(jì)算和實(shí)施的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，需要考慮到電源穩(wěn)定性、電壓、電流、功率等因素，以確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行。本項(xiàng)目介紹了電路設(shè)計(jì)中通?？赡苁褂玫腁C-DC和DC-DC供電，通過(guò)學(xué)習(xí)電路工作的基本原理，讀者可以掌握供電電路設(shè)計(jì)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，項(xiàng)目最后要求針對(duì)隔離控制器選擇合適的電路部件設(shè)計(jì)其供電部分的電路。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)了解不同類(lèi)型的電源（如開(kāi)關(guān)電源、線(xiàn)性電源等），以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)；熟悉所涉及電路元件的特性和參數(shù)，如變壓器、電容、二極管、晶體管等；掌握常用的電源電路結(jié)構(gòu)。技能目標(biāo)能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選取合適的電源類(lèi)型和電路結(jié)構(gòu)；能夠運(yùn)用電路理論和元件特性，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；能夠?qū)﹄娫措娐愤M(jìn)行性能指標(biāo)評(píng)估和優(yōu)化。素養(yǎng)目標(biāo)在電源設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生敬業(yè)、勤奮、創(chuàng)新等精神；充分考慮電源設(shè)計(jì)對(duì)人類(lèi)和環(huán)境的影響，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员Ｕ先祟?lèi)生命安全和環(huán)境健康，培養(yǎng)學(xué)生尊重人性、保護(hù)環(huán)境等意識(shí)。項(xiàng)目2供電電路設(shè)計(jì)

任務(wù)1AC-DC電源模塊的使用任務(wù)描述AC-DC電源模塊是一種常用的電源轉(zhuǎn)換器件，能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電供電給設(shè)備。本次任務(wù)旨在讓讀者了解AC-DC電源模塊的基本原理和結(jié)構(gòu)組成；學(xué)習(xí)AC-DC電源模塊的技術(shù)參數(shù)和規(guī)格說(shuō)明；熟悉AC-DC電源模塊的接線(xiàn)方式和安裝方法；掌握AC-DC電源模塊的使用注意事項(xiàng)和故障處理方法。知識(shí)儲(chǔ)備一、AC和DC的概念A(yù)C-Alternatingcurrent是交流的意思，DC-Directcurrent是直流的意思，AC/DC變換是將交流變換為直流，AC/DC轉(zhuǎn)換器就是將交流電變?yōu)橹绷麟姷脑O(shè)備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱(chēng)為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱(chēng)為“有源逆變”。一、AC和DC的概念我們?nèi)粘９╇娛茿C交流電，我國(guó)交流電壓一般是220V和380V；而大多數(shù)電器中都使用DC直流電，其工作電壓有3.3V、5V、12V、24V等。電力傳輸一般使用AC交流電，因?yàn)槠鋫魉蛽p耗最低，且變壓簡(jiǎn)單，綜合應(yīng)用成本低。如果電力傳輸采用DC直流電，超過(guò)1.5公里的遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)造成電壓大幅度下降。歷史上尼古拉?特斯拉支持的發(fā)電、送電使用AC交流電的方案和愛(ài)迪生支持的DC直流電方案之間的電流戰(zhàn)爭(zhēng)，最后由于AC交流電方案能輕易實(shí)現(xiàn)變壓，且所用電線(xiàn)成本更低，傳送電力沒(méi)有太大損耗，使得特斯拉最后獲得了勝利。一、AC和DC的概念發(fā)電廠生產(chǎn)出數(shù)千至數(shù)萬(wàn)伏的AC高電壓，有效降低了遠(yuǎn)距離傳輸損耗，但在傳送到一般住戶(hù)前，都要通過(guò)電線(xiàn)桿上的變壓器降壓至220V?，F(xiàn)階段我國(guó)民用住宅內(nèi)的插座供基本都為220VAC交流電，用戶(hù)必須自行安裝AC-DC轉(zhuǎn)換電路才能給家中的設(shè)備使用。很多用戶(hù)設(shè)備能直接接入220V電源是由于在其內(nèi)部包含AC-DC功能器件；而沒(méi)有在內(nèi)部包含AC-DC部件的設(shè)備，就要用戶(hù)額外配置完成轉(zhuǎn)換的符合設(shè)備電壓和功率要求的AC-DC轉(zhuǎn)換裝置。補(bǔ)充知識(shí)在大多數(shù)國(guó)家，包括中國(guó)，220V是最常見(jiàn)的家用電源電壓，由供電局將高壓輸電線(xiàn)路經(jīng)過(guò)變電站降壓后提供給家庭使用，適用于家庭和小型辦公室等小功率負(fù)載，例如燈具、電視、冰箱等。而380V是通過(guò)三相電系統(tǒng)來(lái)提供，更適用于大型工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的大功率負(fù)載，例如電機(jī)、變頻器、傳動(dòng)裝置等。其中三相電系統(tǒng)是指將三條電線(xiàn)分別連接到三臺(tái)發(fā)電機(jī)上，然后將它們組成一個(gè)相互平衡的電網(wǎng)，以提供更大的電力輸出量。二、AC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理交流電轉(zhuǎn)換為直流電稱(chēng)為整流，而直流電轉(zhuǎn)換為交流電稱(chēng)為逆變。其中逆變要比整流復(fù)雜得多，用來(lái)完成逆變的設(shè)備就叫“逆變器”。對(duì)于逆變操作，可將直流電送到用于逆變輸出的三極管，利用接在該三極管回路上的變壓器等元件對(duì)三極管形成正反饋，從而使三極管起振產(chǎn)生“震蕩”電流，進(jìn)而形成交流輸出，如果需要還可以加入其他電路器件對(duì)輸出波形進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到應(yīng)用需求。二、AC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理而交流電轉(zhuǎn)換為直流電，技術(shù)上相對(duì)好實(shí)現(xiàn)，一般通過(guò)二極管整流電路或電子開(kāi)關(guān)電路，都可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。其過(guò)程如圖2-1所示。二、AC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理在圖2-1中，四個(gè)部分中變壓器是將交流電由高電壓轉(zhuǎn)為低電壓，其余三個(gè)部分負(fù)責(zé)將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?。整流電路，是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電；濾波電路，將脈動(dòng)直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分；穩(wěn)壓電路，采用負(fù)反饋技術(shù)，對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。二、AC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖2-2所示是兩種整流過(guò)程。圖2-2上方的電路為全波整流，下方的圖為半波整流。二、AC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理整流就是把交流調(diào)整成直流，使交流的正玄波波形調(diào)整到的平行軸上方，此時(shí)輸出的波形還只是脈沖式的，其主要工作部件是二極管。整流方式有全波整流（橋式整流，有專(zhuān)門(mén)的元件或用4個(gè)二極管）和半波整流（有一半的波損失掉，電流不是連續(xù)的，用一個(gè)二極管可以實(shí)現(xiàn)），如圖2-2所示，圖的上半部分電路就是全波整流，下半部分的電路則是半波整流。整流后還需要做濾波才能把波形調(diào)整成較為平穩(wěn)的直流（可用電容）。在實(shí)際的AC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，往往對(duì)轉(zhuǎn)換后的直流電壓有一定范圍要求，在整流之前做變壓是一種較為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方案，而電壓波動(dòng)的范圍則要由濾波電路來(lái)調(diào)整。三、變壓器方式AC-DC作為AC-DC轉(zhuǎn)換的方法之一，是安裝變壓器，并以變壓器為主的方法。圖2-3就是采用變壓器方式轉(zhuǎn)換的一般電路構(gòu)造。三、變壓器方式AC-DC通過(guò)變壓器先做AC-AC轉(zhuǎn)換，可以利用調(diào)整變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的線(xiàn)圈，來(lái)設(shè)定變壓值（發(fā)生在變壓器二次側(cè)的降壓值），將輸入的AC交流電壓變壓至與所需DC直流電壓相匹配的交流電壓值，這里利用變壓器絕緣還可實(shí)現(xiàn)輸入輸出間絕緣的效果。然后再利用二極管橋式整流器將已經(jīng)降壓的AC交流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖波形的半軸輸出，接著用電容器加以平滑，最終轉(zhuǎn)換成紋波較小的DC直流電壓。整流后的DC直流電壓大約是變壓器二次側(cè)AC交流電壓有效值√2倍減去二極管的正向電壓后的數(shù)值。三、變壓器方式AC-DC如果不需要嚴(yán)格的穩(wěn)定輸出時(shí)，就可以將DC電壓作為輸出電壓，輸出電壓值取決于變壓器的匝數(shù)比。當(dāng)負(fù)載電流增加，電壓就會(huì)有所降低，這時(shí)如果必須確保輸出穩(wěn)定，則需要考慮使用穩(wěn)壓器穩(wěn)定電壓，此時(shí)，可以將變壓器二次側(cè)的電壓調(diào)整提高，讓其適合合穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換的工作要求。例如如果最后的輸出需要為12VDC，整流后的電壓設(shè)定為18VDC，就能有效抑制電路中的電壓損耗，不會(huì)因?yàn)樨?fù)載工作而變低。三、變壓器方式AC-DC使用變壓器方式的AC-DC轉(zhuǎn)換實(shí)際的部件如圖2-4。由左至右分別是變壓器、二極管橋式整流器、電解電容器。三、變壓器方式AC-DC常用的AC-DC轉(zhuǎn)換中，AC的頻率為50/60Hz，適合使用低頻變壓器，且變壓器的大?。w積）和電源輸出功率量成正比。我們身邊最常見(jiàn)到的AC適配器就是典型的AC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)備，輸出功率越大，其體積越大，重量也越重。二極管橋式整流器是連接4個(gè)整流用二極管，并做了一體化封裝。形狀除了圖2-4中所示的封裝外，還有SIP和DIP的方形封裝。當(dāng)然也可以使用4個(gè)整流二極管組裝成橋式二極管來(lái)地體一體化封裝的器件。濾波用的電容器，基本上會(huì)使用電解電容器，所需電容值會(huì)因負(fù)載或可容許紋波而變化，轉(zhuǎn)換器輸出功率愈大，電容器的體積就會(huì)愈大。四、開(kāi)關(guān)方式AC-DC變壓器方式AC-DC轉(zhuǎn)換器往往雖輸出功率的增大而需要把體積做得很大，且由于處理高壓的變壓器的存在而重量很大，而開(kāi)關(guān)方式的AC-DC則可以在很大程度上改善這種情況。使用開(kāi)關(guān)元件的AC-DC轉(zhuǎn)換方式如圖2-5所示。四、開(kāi)關(guān)方式AC-DC開(kāi)關(guān)方式的AC-DC不同于變壓器方式，不是先利用變壓器進(jìn)行AC-AC降低電壓,而是一開(kāi)始就先用橋式二極管直接整流高AC電壓。為此，橋式二極管必須能夠承受高電壓。如100VAC的峰值約140V左右，這就對(duì)整流的二極管提出了較高要求。整流后再以電容器使其平滑，所用的元件同樣也必須使用高電壓規(guī)格產(chǎn)品。四、開(kāi)關(guān)方式AC-DC接著，通過(guò)使用開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)切換操作斬波(切分)高DC電壓，并經(jīng)由高頻變壓器，將電能傳送至二次側(cè)。此時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入AC頻率的50/60Hz，往往達(dá)到數(shù)十kHz，然后再轉(zhuǎn)換成呈現(xiàn)上圖方波的AC。隨后，利用二次側(cè)的整流二極管，整流該高頻率AC電壓，并以電容器使其平滑后，轉(zhuǎn)換成設(shè)定的DC輸出電壓。圖2-5中省略了高頻率AC電壓的整流波形，簡(jiǎn)單使用單個(gè)二極管的半波整流演示。此外，開(kāi)關(guān)型AC-DC往往還要有控制電路來(lái)操作開(kāi)關(guān)元件，將輸出電壓反饋至脈寬調(diào)制控制電路上，借此穩(wěn)定輸出需要的DC電壓。四、開(kāi)關(guān)方式AC-DC如圖2-6所示，是采用開(kāi)關(guān)方式的AC-DC轉(zhuǎn)換器，其基本構(gòu)造和圖2-5相同。四、開(kāi)關(guān)方式AC-DC開(kāi)關(guān)方式的AC-DC轉(zhuǎn)換器，其部件和變壓器方式的轉(zhuǎn)換器相似，但橋式二極管、一次側(cè)的電解電容器、開(kāi)關(guān)元件(晶體管)，需要采用可支持高電壓的規(guī)格品。必須以數(shù)十kHz的高頻率才能工作的變壓器，我們稱(chēng)為高頻變壓器或開(kāi)關(guān)式變壓器。轉(zhuǎn)換器中關(guān)鍵的開(kāi)關(guān)元件基本上使用晶體管，以開(kāi)關(guān)電源用的高功率MOSFET最為普遍。開(kāi)關(guān)晶體管必須配合輸出功率選擇適合的規(guī)格。至于穩(wěn)定輸出電壓的控制電路，可以使用晶體管和運(yùn)算放大器等單獨(dú)的元件組成電路?？刂齐娐芬ＷC開(kāi)關(guān)元件正確、穩(wěn)定控制的要求外，而且還要各種保護(hù)功能，目前愈來(lái)愈多裝置采用AC-DC轉(zhuǎn)換專(zhuān)用的集成芯片來(lái)完成控制功能。四、開(kāi)關(guān)方式AC-DC在設(shè)計(jì)電路中需要在電路基板上安裝AC-DC電源時(shí)，采用AC-DC轉(zhuǎn)換器專(zhuān)用集成芯片作為供電電路核心是較好的解決方案。開(kāi)關(guān)方式比變壓器方式復(fù)雜許多，但為近年的主流。利用控制集成電路芯片，能有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。五、變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式的比較從前文可知變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式的AC-DC轉(zhuǎn)換在工作過(guò)程上有很大的不同，在此將兩者工作的示意圖集中羅列于圖2-7和圖2-8進(jìn)行比較，并整理各自的優(yōu)缺點(diǎn)。五、變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式的比較比較兩者電路構(gòu)造，因轉(zhuǎn)換方式不同，兩周構(gòu)造有些差異，采用開(kāi)關(guān)方式的電路更復(fù)雜一些。此外，開(kāi)關(guān)方式必須使用控制電路（控制芯片）。兩者使用的部件非常類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)方式大多為高耐壓部件，這顯然影響到制造成本。效率來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)方式較占優(yōu)勢(shì)，尤其考慮到開(kāi)關(guān)方式轉(zhuǎn)換器的體積更小，且重量更輕。五、變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式的比較舉例來(lái)說(shuō)，最近特別是便攜設(shè)備的充電用AC適配器變得既小又輕。圖2-9是?？吹降腁C適配器，但左邊采用變壓器方式，右邊則是開(kāi)關(guān)方式。兩者規(guī)格相互比較之下，右邊明顯偏小。五、變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式的比較開(kāi)關(guān)方式的轉(zhuǎn)換器由于是將先將AC輸入（50/60Hz）專(zhuān)為DC，再利用開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換成高頻的AC，因此能使用較小的變壓器和輸出電容器，可大幅度縮小轉(zhuǎn)換器的外形尺寸。采用開(kāi)關(guān)方式時(shí)，更是能提升功率效率，進(jìn)而可以抑制工作時(shí)的發(fā)熱。五、變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式的比較圖2-10羅列了兩種AC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)供讀者參考。六、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換原理在開(kāi)關(guān)方式的AC-DC轉(zhuǎn)換中，DC通過(guò)開(kāi)關(guān)方式轉(zhuǎn)換成了高頻AC，在這過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)整，這里說(shuō)明下其實(shí)現(xiàn)的原理。如圖2-11所示，利用代表性的控制方式PWM（PulseWidthModulation:脈沖寬度調(diào)制)方式可以實(shí)現(xiàn)降壓。六、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換原理PWM是指讓周期(頻率)保持恒定，調(diào)整開(kāi)關(guān)ON和OFF的時(shí)間比（占空比）來(lái)進(jìn)行控制的方法。采用PWM時(shí)，經(jīng)由開(kāi)關(guān)將DC電壓轉(zhuǎn)換成達(dá)到必要占空