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。它們使用起來很簡單，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。

對于大功率項目，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

讓我們先從一個簡單的電路開始。電路由一個 10 伏的直流電源串聯(lián)一個開關(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機(jī)械開關(guān)的瘋子。

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出于效率原因，開關(guān)應(yīng)該使用場效應(yīng)（MOS）管。但現(xiàn)在我們在電路中還是用通用開關(guān)符號。接下來讓我們用占空比為 50% 的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號來控制開關(guān)的斷開和閉合。

這會給我們輸出一個一個占空比為 50% 的方波，一半時間為 10 伏，一半時間為 0 伏，這樣平均電壓就是 5 伏。

現(xiàn)在讓我們添加一個 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，我們在輸出上獲得了 5 伏的相對穩(wěn)定的直流電。

但是上面這個電路有個問題。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（電子的流動的方向是和傳統(tǒng)電流方向相反的）。從而產(chǎn)生一個巨大的負(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，請查看我另一篇文章：電感毛刺。在那篇文章中，提到了一個解決辦法，就是添加一個二極管。二極管就位后，現(xiàn)在無論何時斷開開關(guān)，電流都可以在一個完整的路徑中流動，并且開關(guān)后的電壓幾乎不會低于零，因為二極管的存在，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，你可以使用這個基本電路以比線性穩(wěn)壓器（Linear Voltage Regulator）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 搭建一個降壓型直流電源（Buck Converter）。這個電路僅用來學(xué)習(xí)降壓型開關(guān)電源的作用，不具有實際用途。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，在面包上搭建一個簡單的降壓型開關(guān)電源。

無反饋

我們使用 P溝道場效應(yīng)管 IRF9540 來開關(guān)主電源，這里我使用可調(diào)電源輸出的 12 伏電壓。因為 Arduino 的驅(qū)動能力不足，不足以直接驅(qū)動 IRF9540, 我們使用一個 NPN 型BJT 晶體管 S8050 來驅(qū)動 IRF9540。我們編程讓 Arduino 輸出 31 k 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) Arduino D3 腳輸出高電平時，三接管導(dǎo)通，拉低 N 溝道場管的門級（G)，場管導(dǎo)通；當(dāng) D3 輸出低電平時，三極管斷開，場管門級為高電平，場管關(guān)斷。

電位器一個引腳接在 Arduino 的 5V 引腳上，一個引腳接地，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。

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/*
 * 這是用 arduino 制作的降壓型開關(guān)電源的示例代碼。
 * 我們使用 Aruino Uno. Nano 也是可以的。
 * D3 引腳輸出控制方波
 * No feedback is connected here.
 */
 int potentiometer = A0; // 接可調(diào)電阻中間引腳
 int PWM = 3;
 
void setup() {
  pinMode(potentiometer, INPUT);
  pinMode(PWM, OUTPUT);
  // 引腳3和11， 輸出PWM 方波 頻率：31372.55 Hz
  TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001;    
}

void loop() {
  float voltage = analogRead(potentiometer);
  int VALUE = map(voltage, 0, 1024, 0, 254);
  analogWrite(PWM, VALUE);
}

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我們在面包板上組裝好電路，使用一個 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，需要有一個反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)將監(jiān)測輸出電壓，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)電源加一個反饋系統(tǒng)，以實現(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。因為電路輸出電壓的范圍為 0~12 伏，而 Arduino ADC 的最大輸入電壓為 5 伏，不能直接檢測輸出電壓。我們需要將輸出電壓降到 5 伏以下，我們使用一個簡單的電阻分壓電路實現(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：

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/*
 * 這是用 arduino 制作的降壓型開關(guān)電源的示例代碼。
 * 我們使用 Aruino Uno. 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。
 */
 int potentiometer = A0; // 接可調(diào)電阻中間引腳
 int feedback = A1;
 int PWM = 3;
 int VALUE = 0;
 
void setup() {
  pinMode(potentiometer, INPUT);
  pinMode(feedback, INPUT);
  pinMode(PWM, OUTPUT);
  // 引腳3和11， 輸出PWM 方波 頻率：31372.55 Hz
  TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001;    
}

void loop() {
  float voltage = analogRead(potentiometer);
  float output = analogRead(feedback);

  if (output > voltage) {      // 輸出電壓大了，減小占空比
    VALUE = VALUE - 1;
    VALUE = constrain(VALUE, 1, 254);
  } else if (output < voltage) {// 輸出電壓小了，增大占空比
    VALUE = VALUE + 1;
    VALUE = constrain(VALUE, 1, 254);
  }
  
  analogWrite(PWM, VALUE);
}

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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，否則可能會燒毀 LM2576T-ADJ 組件。在這種情況下，我們不需要外部開關(guān)，因為 LM2576T-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，因為它具有低正向壓降電壓。

焊起來

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，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，那兩個藍(lán)色的是 100 nF 濾波電容，輸入輸出各一個：

最后的效果：

跑起來

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。

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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，讓我們來看看電路中的這個節(jié)點，它被稱為開關(guān)節(jié)點， 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 50.65 kHz。但是你可以看到占空比為 59.5 %，而不是理論上的 50%，此時的負(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， 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：

還記得我之前說過我們得到了一個完美的 5 伏直流電嗎？那并不是真實的情況。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€小的交流分量，因為我們的低通濾波器并不完美。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 16.7 mV：

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

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

現(xiàn)在讓我們計算我們制作的的這個電源的效率。并將其與線性穩(wěn)壓器進(jìn)行比較。

從 26 伏的輸入，我的臺式電源向直流轉(zhuǎn)換器提供 0.6889 安培。

我的萬用表測量輸出為 4.905 伏.

我將負(fù)載正好設(shè)置為 3 安培。如果你在家中使用電阻器作為負(fù)載進(jìn)行操作，請確保使用萬用表準(zhǔn)確測量輸出電流。

將數(shù)據(jù)帶入公式計算，我們發(fā)現(xiàn)我們的電源效率為 82%，非常好！這就是人們?yōu)槭裁赐ǔ㈤_關(guān)電源用于高于 1 安培的電流。