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今天我們一起學(xué)習(xí)降壓型開(kāi)關(guān)電源。

為什么需要開(kāi)關(guān)電源

在之前的線(xiàn)性穩(wěn)壓器教程中，我們學(xué)習(xí)了 L7805 等線(xiàn)性穩(wěn)壓器的使用。它們使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是效率低下。

(相關(guān)資料圖)

例如，如果您嘗試用 26 伏電壓為線(xiàn)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(huì)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(duì)于大功率項(xiàng)目，你希望使用所謂的開(kāi)關(guān)電源。有各種不同類(lèi)型的開(kāi)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 orStep-down）開(kāi)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(gè)簡(jiǎn)單的電路開(kāi)始。電路由一個(gè) 10 伏的直流電源串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)組成。

開(kāi)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(dòng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的瘋子。

出于效率原因，開(kāi)關(guān)應(yīng)該使用場(chǎng)效應(yīng)（MOS）管。但現(xiàn)在我們?cè)陔娐分羞€是用通用開(kāi)關(guān)符號(hào)。接下來(lái)讓我們用占空比為 50% 的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合。

這會(huì)給我們輸出一個(gè)一個(gè)占空比為 50% 的方波，一半時(shí)間為 10 伏，一半時(shí)間為 0 伏，這樣平均電壓就是 5 伏。

現(xiàn)在讓我們添加一個(gè) 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?cè)谳敵錾汐@得了 5 伏的相對(duì)穩(wěn)定的直流電。

但是上面這個(gè)電路有個(gè)問(wèn)題。假設(shè)開(kāi)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(guò)這個(gè)電感器。

現(xiàn)在讓我們斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。由于電感中的電流不能立即改變，這意味開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的一小段時(shí)間內(nèi)仍然有電流流過(guò)電感。

但是電感左側(cè)沒(méi)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(dòng)的方向是和傳統(tǒng)電流方向相反的）。從而產(chǎn)生一個(gè)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(kāi)關(guān)。如果您想了解有關(guān)這種現(xiàn)象的更多信息，請(qǐng)查看我另一篇文章：電感毛刺。在那篇文章中，提到了一個(gè)解決辦法，就是添加一個(gè)二極管。二極管就位后，現(xiàn)在無(wú)論何時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，電流都可以在一個(gè)完整的路徑中流動(dòng)，并且開(kāi)關(guān)后的電壓幾乎不會(huì)低于零，因?yàn)槎O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(huì)更低。

下圖是經(jīng)典的降壓型開(kāi)關(guān)電源電路，你可以使用這個(gè)基本電路以比線(xiàn)性穩(wěn)壓器（LinearVoltage 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(gè)降壓型直流電源（Buck Converter）。這個(gè)電路僅用來(lái)學(xué)習(xí)降壓型開(kāi)關(guān)電源的作用，不具有實(shí)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(hào)，在面包上搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓型開(kāi)關(guān)電源。

無(wú)反饋

我們使用 P溝道場(chǎng)效應(yīng)管 IRF9540 來(lái)開(kāi)關(guān)主電源，這里我使用可調(diào)電源輸出的 12 伏電壓。因?yàn)?Arduino 的驅(qū)動(dòng)能力不足，不足以直接驅(qū)動(dòng) IRF9540, 我們使用一個(gè) NPN 型BJT 晶體管 S8050 來(lái)驅(qū)動(dòng) 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(shí)，三接管導(dǎo)通，拉低 N 溝道場(chǎng)管的門(mén)級(jí)（G)，場(chǎng)管導(dǎo)通；當(dāng) D3 輸出低電平時(shí)，三極管斷開(kāi)，場(chǎng)管門(mén)級(jí)為高電平，場(chǎng)管關(guān)斷。

電位器一個(gè)引腳接在 Arduino 的 5V 引腳上，一個(gè)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(kāi)關(guān) IRF9540 的關(guān)斷。

/* * 這是用 arduino 制作的降壓型開(kāi)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);}

我們?cè)诿姘迳辖M裝好電路，使用一個(gè) 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(gè)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(huì)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(gè)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)電源加一個(gè)反饋系統(tǒng)，以實(shí)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?yàn)殡娐份敵鲭妷旱姆秶鸀?0~12 伏，而 Arduino ADC的最大輸入電壓為 5 伏，不能直接檢測(cè)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(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓電路實(shí)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(kāi)關(guān) IRF9540 的關(guān)斷。

帶反饋的降壓型開(kāi)關(guān)電源代碼如下：

/* * 這是用 arduino 制作的降壓型開(kāi)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);}

一站式解決方案

上面的降壓型開(kāi)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(kāi)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(huì)燒毀 LM2576T-ADJ 組件。在這種情況下，我們不需要外部開(kāi)關(guān)，因?yàn)?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?yàn)樗哂械驼驂航惦妷骸?/p>

焊起來(lái)

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?chē)粝麓罅康目臻g，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(xiàn)盡可能短：

再焊上輸出濾波電容：

當(dāng)焊接反饋電阻時(shí)，盡量使返回芯片的導(dǎo)線(xiàn)盡可能短。

電路板底部的布局比頂部更重要。注意我的地線(xiàn)是一條直線(xiàn)，那兩個(gè)藍(lán)色的是 100 nF 濾波電容，輸入輸出各一個(gè)：

最后的效果：

跑起來(lái)

一切準(zhǔn)備就緒就緒。我將用 10 伏電壓作為我的開(kāi)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(lái)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。

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(lái)看看電路中的這個(gè)節(jié)點(diǎn)，它被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)， 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(kāi)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(shí)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(shí)， 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(shuō)過(guò)我們得到了一個(gè)完美的 5 伏直流電嗎？那并不是真實(shí)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€(gè)小的交流分量，因?yàn)槲覀兊牡屯V波器并不完美。我們稱(chēng)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(huì)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(duì)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(lái)說(shuō)，您不想用開(kāi)關(guān)電源為無(wú)線(xiàn)電接收器等敏感電路供電。

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

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

我的萬(wàn)用表測(cè)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(qǐng)確保使用萬(wàn)用表準(zhǔn)確測(cè)量輸出電流。

將數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)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_(kāi)關(guān)電源用于高于 1 安培的電流。