小型可調電源設計(1)-科普篇

本公眾號一直將工作重心放在講解電路模塊的功能和應用上，偶爾寫一些科普文章，根據我的觀察，似乎科普通識類文章的閱讀量比較大，而電路少有人關注。作為一名硬體工程師，對電路的感覺是日積月累的，不能通過分析一兩個電路就獲得明顯提升，所以大家不太喜歡看電路我是理解的，而且現在折騰分立元件的工程師越來越少，更多的功能由半導體或者可編程晶元去完成。為了能夠提起大家的興趣，本年度我打算以項目為導向進行寫作。

作為一個愛折騰DIYer，首先要有一台可調電源，所以我打算先從做一台電源開始，給大家提供一些思路，有興趣的小夥伴可以動手做一做，從中遇到的問題都可以拿到我的群里聊一聊。

由於從220V變換到低壓直流的過程，調試中存在一定風險，這部分不在我這次著重講解的範圍內，有興趣可以在下面留言，可以在今後的文章中做講解。24V或者12V的直流電源是我們生活中比較容易獲得的，例如我們的筆記本，印表機，液晶顯示器的適配器，通常就在這個電壓範圍內。

220VAC到低壓直流的變換：

這部分上文提到，可以使用標準的電源適配器替代，由於直接與強電相連，我不建議DIYer自己動手做這部分，如果想簡單做的話，那可以用時變壓器直接將高電壓降下來，變壓器是個價格昂貴且體積重量都很大的元件，220V轉雙15V功率20W的變壓器要有拳頭大小，而且很重，現在的開關變換器將220V交流轉化為9V直流同樣的功率，也就是你手機快速充電器那個樣子，體積重量是多少你自己體會一下。充電器中通常使用反激拓撲，很小的體積內集成了很多器件，具體原理不是一句兩句能解釋清楚的。

下圖中是我讀書時候做的一個反激開關電源，由於手頭沒有正好合適的元件，東拼西湊做下來，各個器件高低不平，這台電源是24V3A輸出，用於給白菜白光的烙鐵供電，其尺寸可以參考邊上的空氣開關。

使用變壓器從220V交流獲得低壓直流電源的方法很簡單，下面給出原理圖。分別是單電源和雙電源的接法，如果你是要用這個電源折騰運放，那雙電源就很必要了。變壓器的變比根據個人需求去選擇，但要注意，標稱輸出15V的變壓器整流後輸出會超過20V，全橋整流獲得的電壓在輕載情況下其實就是交流電壓峰值，也就是1.414倍有效值，當輸出功率增大時，輸出電壓會下降。為了保證輸出電壓，濾波電容使用較大的容值，通常都是上千微法。

變壓器整流濾波電路。

直流到直流的變換：

獲得了低壓直流只是第一步，我們的目標是製作一個可調直流電源。直流到直流的變換方法主要有兩個方向：線性穩壓/開關穩壓。

對於功率不大，變換範圍不大的電源，我們可以選用線性穩壓，很多現成的穩壓晶元可以選用，大家最常見的LM78XX這種固定輸出的穩壓晶元，對於可調輸出的穩壓晶元，最常用的是LM317，LM337，分別是正壓穩壓晶元和負壓穩壓晶元。如下圖：

圖中兩個可調電阻用於調節輸出電壓，輸出電壓的計算方法是：Vo=(1+Radj/120)*1.2V，正負電壓的計算方法相同，根據公式可以看出輸出電壓的最小值不能低於1.2V。

線性穩壓內部又一個開關管，這個開關管是電流的主要通道，並且工作在線性區，因此稱之為線性穩壓電源。線性電源中開關管承受了輸出到輸出之間的壓差，損耗較大，效率很低，當需要一定輸出功率或較低的輸出電壓時，線性穩壓晶元需要承受較大損耗，散熱成為難題，因此只能用於小功率低壓差的情況。

開關穩壓具有高效率，高功率密度的特點，當需要一定的電源功率時可以選用。開關電源的拓撲主要有以下幾種：Buck，Boost，Buck-Boost，三種電路分別用於降壓，升壓，反壓的應用。大多數情況下，並不需要自己搭建功率電路，已經有現成的晶元，配合一些分立元件就可以實現開關穩壓。例如MC34063這種晶元可以客串好3種不同的拓撲。這裡就不給原理圖了，可以去搜索這個晶元的手冊。

使用集成的開關穩壓晶元需要注意晶元內部開關管的容量，而且需要用戶自己選取電感參數，在沒有電力電子基礎的情況下，設計電感其實是個略複雜的事，需要考慮根據集成開關管的容量設計電感值和飽和電流，未來我會詳細講解這部分設計方法。

我想帶領大家做的並不是一個簡單的晶元就可以搞定的電源，以上的電源輸出能力不會超過3A，這麼小電流，怎麼能玩的開心呢，想帶個電機都有困難，而且沒法自己做限流等保護機制，輸出電壓範圍受到限制等。後面我會選定一個輸入輸出條件，逐步開始設計功率略大的可調電源，或者叫數控電源。目前只是個計劃，因為手頭沒有示波器，調試起來可能會比較困難，不過盲調也是一個鍛煉人的過程。

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