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嵌入式硬件杂谈（六）充电器原理线性电源开关电源反激电源原理

article 2024/11/26 12:35:26

引言：
随着嵌入式设备的广泛应用，各种电源设计在现代电子设备中扮演着至关重要的角色。从初代线性电源到如今高效的开关电源和反激电源，电源技术经历了多年的发展和演变。无论是传统的家用设备，还是复杂的工业系统，电源设计的效率、体积、成本和稳定性都直接影响着设备的性能与市场竞争力。本文将从基础原理入手，依次介绍初代电源、线性电源与开关电源的区别，并重点探讨反激电源的工作原理，为读者提供一份系统且实用的电源设计参考。

一、初代电源原理

1. 交流输入

2. 变压器降压

3. 整流桥整流

4. 滤波

5. 稳压（可选）

6.电压计算

7.优缺点

二、线性电源和开关电源的区别

1. 工作原理

线性电源

开关电源

2. 效率

3. 体积与重量

4. 输出特性

5. 稳压性能

6. 散热

7. 应用场景

8. 成本

三、反激电源的原理

一、初代电源原理

初代电源的核心原理是将高压交流电通过变压器降压，经过整流桥转换为脉动直流电，然后通过滤波和稳压，得到平稳的直流电输出。

1. 交流输入

输入高压交流电（如 220V 或 110V）。
为保证安全和适配性，通常接入保险丝和开关。

2. 变压器降压

功能：将高压交流电转换为低压交流电。
原理：通过变压器的初级线圈（高压侧）和次级线圈（低压侧）间的匝数比控制电压。

U1,U2：初级、次级电压。
- N1,N2N_1, N_2N1,N2：初级、次级线圈匝数。
特点：电气隔离，提高安全性。

3. 整流桥整流

结构：整流桥由四个二极管组成，桥式连接。
工作过程：
- 正半周期：二极管 D1 和 D2 导通，电流流过负载。
- 负半周期：二极管 D3 和 D4 导通，电流方向保持一致。
输出：双峰脉动直流电。

其实就是利用全桥电路反转负半轴的波形，正半周期跟负半周期走的路径不同，原理如下所示：

4. 滤波

目的：减少脉动，平滑电压波形。
方法：通常使用滤波电容。
- 电容在电压升高时储存电荷，在电压降低时释放电荷，填补波谷。
效果：输出接近平稳的直流电，但可能含有小纹波。

因此电压还是十几伏，我们还需要加一个线性稳压器降压。

5. 稳压（可选）

目的：提供精确的直流电压输出。
方式：
- 齐纳二极管稳压：用于低功率场景。
- 三端稳压器（如 7805、7812）：提供恒定的输出电压。

6.电压计算

交流电峰值：

整流后电压：

为整流桥中二极管的压降（硅二极管每个约 0.7V，整流桥有两个。

7.优缺点

优点：

简单可靠：适合早期低功耗电子设备。
电气隔离：变压器提供了良好的安全性。
低成本：组件简单。

缺点：

体积大：变压器和散热器增加了电源的体积和重量。
效率低：整流和稳压过程中存在能量损耗。
散热问题：线性稳压器需要消耗多余功率以稳定输出。发热很严重！

二、线性电源和开关电源的区别

对于上述的问题，此时我们就引入了开关电源了。

左边的就是利用我第一部分所说的结构做的，体积也非常的大，右图的是利用何种原理能做到如此小的？我们后面会继续讲，此作为一个引子。

如下为右图充电器的原理结构图。

只是排列位置的改变，以及稳压LDO改成了一颗mos管以及一个控制芯片，整个过程就是整流桥整流，滤波处理，利用mos管不停的开关就产生了方波加载在这个变压器上面，利用变压器去感应出另外一个比较低的电压，最后再一次滤波处理。

因此我们对于上述的结构进行分析如下：

左图：220V的交流电被直接送入变压器，然后输出经过整流滤波就转为了直流电。

右图：先把220v蒸馏滤波变成了直流电，然后再把直流电方波的交流电送入变压器，传输过去之后再把交流电转变为直流电。（之所以要这么麻烦，本质就是为了减小体积和减少发热）

频率高的好处就是可以使用很小的变压器了，也可以通过实时的占空比来稳定电压了。