主电源设备中功率调节与设计注意事项

在一个迷人的便携式设备（如智能手机和平板电脑）占据头条新闻的世界中，很容易忘记大多数消费电子产品从主电源获取电力。然而，这些产品使用相同的敏感硅 - 需要稳定的低压电源 - 与其手持设备一样。

本文介绍了主电源设备中功率调节的基础知识，来自线路变压器将高电源电压转换为隔离低电压，通过交流线路整流方法将交流电压转换为直流电，然后转换为直流/直流转换器选项，提供电子设备所需的稳定低压输出。

本文包括一个样本计算，用于演示开关稳压器如何比用于主电源的低压差（LDO）线性稳压器更有效的解决方案，从而实现更紧凑的设计，不需要散热片来消除多余的热量。

降低电源电压

尽管全球主电源插座提供的交流电压为90至264 V，频率范围为47至63 Hz，几乎所有办公室和家庭设备不能插直在没有某种功率转换的情况下进入墙壁插座。

交流输入通常必须降压，并在很宽的输入线波动和输出负载范围内调节电压。另一个挑战是确保来自电源的DC输出不包括显着的AC分量，其表现为电压纹波。大多数硅电路需要一个稳压电源，其输出纹波不超过输出电压的百分之一。更重要的是，为了使生活更加困难，通常需要电源来提供多种输出电压和负载能力。图1显示了办公室或家庭设备的典型电源的简单示意图。

图1：此电源转换交流电源电压三种不同输出负载下的三个直流电压输出（美国国家半导体公司提供）。

主电源电压很高，对人类和电气设备都很危险;所以电源的第一个要求是隔离变压器。这样可以对交流电源进行整流，并将电压降低到稳压器可以安全处理的水平。

交流线路整流有三种常见的拓扑结构：全桥，中心抽头全桥，半桥。全桥是最有效的技术，但在设计中需要四个二极管，因此更贵一些。中心抽头的全桥省去了两个二极管，但需要更多的匝数来改变变压器的次级线圈。每个全桥整流拓扑结构的输出纹波相似。

半桥设计成本最低，但在次级绕组上产生直流偏置，因此仅适用于低 - 电流输出。电压纹波也大于全桥设计。图2显示了三种不同的AC整流技术，以及它们从108到132 V电源产生的电压范围。

图2：交流线路整流方法（美国国家半导体公司提供）。

虽然可以使用交流整流器降压，但是是令人震惊的监管机构。事实上，即使对于使用理想变压器的设备，输出的调节也不会比输入更好。因此，例如，如果AC线路变化典型值为±10％，那么输出电压容差将不会优于±10％。

理想变压器不存在，因此设计人员必须考虑到变压器绕组的电阻。该电阻的作用是根据负载改变输出电压。这种影响很复杂，可以在一个可信赖的旧的，但仍然适用的参考工作中找到明确的分析.¹尽管如此，考虑到所有影响，交流整流器的净负载调节可以在10％到40％之间变化。这种波动程度对于现代电子元件来说是不可接受的。

DC/DC转换

交流整流器的输出虽然与主电源隔离并且电压远低于主电源，直接应用于硅元件是不安全的。整流器的输出必须经过另一个调节阶段，以确保稳定，相对无纹波的输出，适合为办公室或家庭设备供电。有三种常用的方法可以做到这一点：线性调节，开关调节或反激调节。

上面图1所示的例子需要AC整流器的三个输出，每个输出都连接到线性稳压器。尽管如此，这种电源设计最简单，并且元件数量最少。

另一种安排是采用三个降压（“降压”）开关稳压器。这种设计可能更复杂，但只需要AC整流器的单个输出。

另一种选择是使用反激式稳压器。图3显示了使用交流线路整流和线性，开关或反激调节的电源示意图。这是一种高效率的选择，但它比使用开关稳压器更复杂。反激式稳压器适用于特定应用，特别是在需要负输出时，但对于本文中讨论的示例而言，它不是一个好的解决方案。因此，进一步的讨论将限于线性和开关稳压器类型。

图3：调节交流整流电压的替代方案（国家提供）半导体）。

图4显示了当连接到图2所示的交流整流器输出时，线性稳压器如何用于获得所需的稳压输出电压。（注意，整流变压器绕组上的大容量电容值可以降低取决于所使用的变压器。只要电压不低于线性稳压器的压差电压，线性稳压器就可以很好地抑制变压器输出端的纹波电压。

图4：使用线性稳压器的电源。相对低效率需要使用散热器（美国国家半导体公司提供）。

线性稳压器的一个主要缺点是它们效率不高，除非输入和输出之间的差异很小。功率通过串联电阻耗散，产生过多的热量，需要使用散热片。

从公式计算线性稳压器的功率损耗很简单：

PLOSS = VIN x IGND +（VIN -VOUT）x IL

其中VIN是变压器的平均直流电压，IGND是满载时的接地引脚电流（参见元件数据手册），IL是输出电流。

在此示例中，线性稳压器中的功率损耗计算假定变压器的132 V AC输入和输出的满负载。这是最坏情况。

对于选择用于1 A DC 3.3 V输出的National Semiconductor LM3940 LDO线性稳压器，VIN约为5.5 V DC，计算出的功率损耗为2.8 W （IGND = 110 mA）。

对于选择0.5 A DC 5.0 V输出的LP2960 LDO线性稳压器，VIN约为7.3 V DC，计算出的功率损耗为1.3 W（IGND =对于在0.25 A DC下选择用于12 V输出的LM2952 LDO稳压器，VIN约为15.9 V DC，计算出的功率损耗为1.3 W（IGND = 21 mA，最大值为21 mA，最大值）。

最大值）。

因此，总输出功率为8.8 W，总功率损耗为5.4 W.因此，线路变压器必须至少提供14.2 W.如果使用成本较低的非LDO，则会额外增加3.8。 -W损耗（由于所需的输入电压较高，因较低的电源电流而抵消）。这将导致变压器尺寸增加27％。

如果使用带有单绕组的简单变压器与LDO线性稳压器，额外损耗将为14.9 W，其中12 W将是损耗在3.3V稳压器中，将电压从14V绕组降低。

相对低效的LDO线性稳压器的替代方案是使用开关器件。图5显示了这样的布局。

图5：使用线性稳压器的电源效率更高，可以使用更小，更简单的电源变压器。

该解决方案使用三个开关稳压器，National Semiconductor的LM2825和LM2594型号。在这种情况下，图4中的三种形式的交流整流已经被一个供电电压在14到40 V之间的变压器所取代。同样，输入电容的尺寸可能会减小，纹波抑制也很好。

该开关稳压器解决方案的整体效率约为80％。因此，线路变压器只需要提供11 W而不是线性稳压器示例中使用的14.2 W.由于降低了功率要求，因此该解决方案中使用的变压器比线性稳压器解决方案中使用的变压器小22％。由于只需要一个输出绕组，因此简化了变压器的制造.2。

主电源设备需要交流整流和DC/DC调节，以便为精密电子元件提供稳定的低电压。线性和开关稳压器都是DC/DC转换的选项。使用线性稳压器的电源更简单，但使用开关稳压器的设计可提供更高的效率。