Meet Power Electronics

Meet Power Electronics——从线性稳压器讲起


叮~d=====( ̄▽ ̄*)b

欢迎光临Emoe电力电子食坊,这里有一份充满Power的食谱,各位客官走过路过不要错过呀!

我是厨娘luno莉莉安,叫我莉莉安就好啦ヾ(❀╹◡╹)ノ~


一、什么叫电源

很多刚入电子坑的小伙伴第一次见到”电源“这个词都有点懵,甚至很多玩电子玩了很久的人也不知道电源是个什么东东,经常有人板子无法正常工作查了好久到头来发现是电源出了问题。

所以,对电源拥有基础认识是非常重要的!!!

1.什么是Power

自然界中处处存在能量的转换,就现代生活来说,处处离不开”电“这个东西。科学家与工程师多年来钻研于将各种各样别的能量转换成我们赖以生存的电能,大到化石燃料燃烧的热能、河水和风的动能、天体引力产生的潮汐能,小到原子核中的核能,通通都可以转换成电能!电能从发电站出发,跨越数千公里,经历数次变电,传到千家万户,走到你身边,成为了平平无奇的市电,养活了你家里的电器们和众多移动设备,简直是生命之源。

电能进入你的板子之后,会发生这些情况:电能转换为热能(电阻),电场能(电容),磁能(电感/变压器)(光在电力电子中用到的只有光耦,就不加多的描述了)。虽然看起来简单,但其中大有文章,后面会慢慢将给大家的。(好像有一堆坑要填?555还要考研啊……)

2.什么是电源

电源的英文是Power Supplier,即能量提供者,顾名思义,电源是将现有供电转换成目标供电的电路。

假设你在设计一个电路系统,这个系统中不同的元件有不同的电压电流要求,不符合要求就会损坏元件,(比如你的手机是5V充电,你怼个12V上去,它就会变成一具尸体doge),而一般情况电源输入的种类是单一的,那么我们就要设计一个转换器(Converter)转换成要求的电压电流,这个转换器就是电源。电源的形态有很多种,有的是独立形态,比如你的手机充电器,有的是组合形态,也就是作为一个模块在同一块电路板上和其他模块一起。


二、MCU电源设计

USB输入电压一般是5V,单片机供电电压3.3V,设计图如下所示
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但我们不仅要知其然,还要知其所以然,接下来我们一起简单分析下分析线性稳压器部分、滤波、退耦、噪声抑制

1.线性稳压器

线性稳压器是降压转换器,你可以把线性稳压器看成一个电阻分压网络,分出的电压接到用电设备,多余的电压直接消耗掉,稳压的逻辑是根据输出电压调节分压电阻(高侧)的大小,所以线性稳压器耗能为$$P=(V{in}-V{out})*I_{load}$$
线性稳压器通过电压反馈机制构成负反馈实现稳压,因为是线性调制故被称为线性稳压器。控制电路核心是个反相放大电路,可以用三极管也可以用运算放大器实现在反馈电压偏离基准时调节功率管等效电阻改变输出电压从而实现稳压。
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线性稳压器的好处是简单、噪声小,缺点是耗能、不能用在大功率场合(下一篇讲开关电源,解决这些问题)

2.滤波

理想电源自然是平稳的,可现实往往不太理想,就会产生一种叫纹波的东西,我们主要依赖良好的环路设计以及滤波来打倒它。上图中的C3、C7是滤波电容,一般取1~10uF。滤波电容是为了降低供电对自身的影响,所以滤波电容一般靠近电路板供电口。

3.退耦

前文提到滤波电容是为了降低供电对自身的影响,那么退耦电容(图中C2、C6)就是为了降低自身对电源轨的影响,用电器瞬时电流变化会导致电压波动,那么在靠近用电器电源入口处放一个小电容就很有必要了,在单片机需要时提供顺时电流,因为要求反应迅速,所以该电容一般比较小,一般取10n~100n。

下图为滤波电容和旁路电容在电路板上的位置的示意图:
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我们可以把滤波电容比作水库,防洪、蓄水;退耦电容就是你家附近的小水站,在你短时缺水时快速弥补缺口,同时也减少了整个供水线的压力,使整个社区的用水不受你短时使用的影响。

4.噪声抑制

图中u1的BP脚是噪声耦合脚,一般利用电容隔离(电能-电场能-电能)耦合,将耦合到的噪声加到芯片内部噪声抑制电路,我们平时设计的时候也要注重对噪声的处理,利用差分电路或者反馈环路设计实现噪声的抑制。(噪声抑制方面我不专业,在这就不班门弄斧了)

三、下一篇

我对电力电子这个系列的设想是先描述基础,然后项目实战,感受Power的魅力(doge)

然后接下来仍然是基础的讲解,目标转向到开关电源,将基于MC34063给大家介绍一下电源基础拓扑。后面我会穿插一些基础技巧写一些番外,比如功率电感的选取,功率管驱动电路的设计,反馈环路的设计等(大概)

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