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电子式直流转换器

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发表于 2021-2-25 14:46:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
实际应用的电子式直流转换器会使用开关切换的技术。直流-直流的开关电源可以将能量暂时储存,再透过输出电压释放,可以将直流电压转换为较高或是较低电压的直流电。能量的储存可以储存在电场(电容器)或是磁场(电感器或是变压器)。

这种转换方式可以昇压也可以降压,切换式的转换效率可以到75%~98%,比线性电压调节器(会将不需要的能量以热的方式消耗)的效率要好。为了效率考量,其中的半导体元件开启或关闭的速度要相当快,不过因为有快速的暂态,加上电路布局上会有的杂散元件,让电路的设计更有挑战性。开关电源的高效率减少了散热片的大小或体积,也提升了便携式设备用电池供电时,可以运作的时间。在1980年代后期,因为功率级场效应管的出现,可以在较高频率下有比功率级双极性晶体管更低的切换损失,因此效率也可以进一步的提升,而且场效应管的驱动电路也比较简单。

另一个开关电源的重要突破是用功率级场效应管的同步整流技术代替飞轮二极管,其导通电路较低,也可以降低切换损失。在功率半导体广为应用之前,低功率的直流-直流同步整流器中包括一个机电式的震荡器,震荡后的电透过降压变压器,输出给真空管、半导体整流器、或是和震荡器连接的同步整流器。

大部分直流-直流转换器是设计单向转换,功率只能从输入侧流到输出侧。不过所有开关电压转换器的拓扑都可改为双向转换,可以让功率从输出侧流回输入侧,方式是将所有的二极管都改为独立控制的主动整流。双向转换器可以用在像车辆之类,需要再生制动的应用,在车辆运行时,是由转换器供电给车轮,但在刹车时,会反过来由车轮供电给转换器。

切换型的转换器以电子学的角度来看,其实比较复杂,不过因为许多电路都封装在集成电路中,需要的零件较少。在电路设计时,为了让切换噪声(EMI / RFI)降到可容许范围,而且要让高频电路可以稳定运作,需要小心的设计电路以及实际电路及元件的布局。若是在降压的应用中,切换型转换器成本比线性转换器要高,不过随着芯片设计的进步,切换型转换器的成本也在渐渐下降。

直流-直流转换器可以用集成电路(IC)再加上几个零件的方式组成,也有转换器本身就是完整的并合集成电路模组,只需要组装在电路板上即可使用。

线性电压调节器可以从电压较高但可能不稳定的直流电压源中转换出稳定的直流电压,输入输出电压差对应的功率则依焦耳定律转换为热能耗散出去,以定义上来看,可以算是直流-直流转换器,但实务上很少这么称呼线性电压调节器。电阻分压电路也可以产生和输入电压不同的输出电压,可能会加上稳压器或齐纳二极管调节输出电压,不过也很少被称为直流-直流转换器。

也有一些电容型的倍压器及多倍压器,可以将直流电压放大两倍、三倍或是其他整数倍,多半会用在输出小电流的应用上。

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