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功率一次、二次級

接下來真正的進入電壓轉換部分,在內部變壓器和前述所說的輸入級之間,稱作功率一次級;在變壓器和最終輸出之間,則是稱為功率二次級。接下來介紹功率輸出由小到大的功率級設計。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲+5Vsb,只要插上電源並開啟開關就會開始運作(不論電腦是否開啟),主要供應電腦在待機下的電源需求,和電源供應器本身運作所需。

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▲光耦合器使用光來傳遞高、低壓區之間的訊息。

返馳式(Flyback)

這種形式的功率級相當容易理解,構造相當接近一般所使用的線性變壓器,在變壓器和輸入級之間不停將開關打開或關閉,藉以調整最終功率輸出;在開關打開時,電能轉換為磁能儲存在變壓器中,開關關閉時,變壓器便釋放能量至二級側,藉由電容緩衝平滑電量輸出。由於二次側只需二極體和電容濾波,體積得以縮小。

缺點為變壓器同時當作電感使用,如果要輸出更大瓦數,必須採用更大的元件,但這樣又走回線性變壓器的路,又大又笨重效率又不高。所以此種電路只在小功率輸出時才會使用(約為100W以下)。

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▲返馳式電路圖。

順向式(Forward)

順向式在二次級的部分多加了一個儲能電感和二極體,與反馳式不同,一次側開關打開時即可傳遞能量給二次側。當一次側開關截止時,能量可以繼續由二次側的電感和電容提供。

順向式可提供比返馳式更大的功率輸出,但是也因二次級多加了一些零件,導致成本上升。另一個讓成本增加的地方,是由於一次級的開關關閉時,變壓器一次級的電壓反向,和輸入級傳過來的電壓相累加形成2倍的電壓,造成功率一次側的開關耐壓,必須為返馳式的2倍。

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▲順向式電路圖。

半橋式(Half Bridge)

前述功率級的一次級開關都只有一個,半橋式則為兩個開關,兩個開關運作在互補模式;意即開關A開啟時,開關B則為關閉,反之亦然。實際應用上,為避免兩個開關同時開啟造成短路,開關A關閉,和開關B開啟並不是同時發生,其中會故意夾著兩個開關皆為關閉的時間,稱為截止時間(dead time)。此時一次級並不感應能量給二次級,改由二次級的電感和電容輸出能量。

由旁邊的電路圖可得知,變壓器一次級的電壓僅為輸入級輸出電壓的一半,請記住這一點,方便與下一段的全橋式比較。

Step 1

開關Q1導通,Q2關閉,電流流向為藍色箭頭方向。

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Step 2

開關Q1、Q2皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。

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Step 3

開關Q1關閉,Q2導通,電流流向為紅色箭頭方向。

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Step 4

開關Q1、Q2皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。接下來再由步驟一開始。

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全橋式(Full Bridge)

假設輸入級的電壓有400V,電源供應器輸出功率400W,那麼在半橋式變壓器的一次側電壓即為200V,流經電流為2A。在全橋式的改良之後,變壓器一次級的電壓能夠與輸入級輸出電壓相同,皆為400V,此時電流只需1A即可。換句話說,若是使用相同耐電壓、耐電流的變壓器,全橋式可以輸出半橋式2倍的功率。

Step 1

開關Q2、Q3導通,Q1、Q4關閉,電流流向為藍色箭頭方向。

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Step 2

開關皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。

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Step 3

開關Q1、Q4導通,Q2、Q3關閉,電流流向為紅色箭頭方向。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

Step 4

開關皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。接下來再由步驟一開始。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

主動式箝位回收能量

交換式電源供應器一次級的開關二極體導通或關閉的動作,也會如一般家用電器在開關時,出現電壓突波的現象,導致開關晶體要提高耐壓。為解決此種問題,一般是藉由RCD(電阻、電容、二極體)箝位,來改善突波和變壓器漏感(變壓器的一次級線圈能量無法完全感應至二次級,剩餘的能量使得線圈具有電感的作用)現象,多餘的能量傳到電阻上變成熱能散發掉,這種方式稱作被動式箝位。

主動式箝位則是把這些原本化作熱能散失的能量,經由其他路徑,反饋到輸入級上,讓能量能夠再次被利用。

(後面還有:回授級的介紹喔!)

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cools0607
21.  cools0607 (發表於 2012年11月03日 01:23)
看完以後,我有小疑問,既然市電過濾波&保護後到橋式整流子上變成直流. 印象中變壓器不是通交流? 這樣的話整流後的電壓可以送入一次側?
Milan
22.  Milan (發表於 2013年1月09日 17:05)
半橋和全橋 Step2&4 的二次側電流波形好像怪怪的,向上的箭頭是不是應該畫到二次側線圈上呢?<( ̄︶ ̄)>
Milan
23.  Milan (發表於 2013年1月09日 17:08)
※ 引述《cools0607》的留言:
> 看完以後,我有小疑問,既然市電過濾波&保護後到橋式整流子上變成直流. 印象中變壓器不是通交流? 這樣的話整流後的電壓可以送入一次側?

所以在整流後跟變壓器中間還會插入一級Flyback or full bridge or half bridge,變成交流再進入變壓器。
R.F.
24.  R.F. (發表於 2013年1月09日 17:38)
※ 引述《Milan》的留言:
> 半橋和全橋 Step2&4 的二次側電流波形好像怪怪的,向上的箭頭是不是應該畫到二次側線圈上呢?

的確真的好像給他畫錯了(⊙ˍ⊙) 小編中箭落馬
曾其威
25.  曾其威 (發表於 2017年10月14日 12:03)
※ 引述《CQH》的留言:
> 這種線性電源供應器構造簡單、成本低、較不容易損壞、輸出雜訊小。可惜會受到輸入電壓的影響,例如原本110V∕11V的變壓器,插入220V的插座就會變成22V的輸出;同時體積也會跟著輸出電壓∕電流變大,而需要更大更多的口型鐵芯,能量轉換效率也不比交換式電源高
>
> 其實線性穩壓 照理說會加上線性穩壓用的IC 例如LM317之類
> 但少掉的電壓會通通變成熱能 所以效率極差+燙
>
LM317 / LM7805 之類的東西是直流電,牆壁出來的 angry pixie 是交流電...

而且壓差太大用線性穩壓,功率耗損很大。

110V 直流降到 12V,約 1:9,效率只有 10%...
老婆生十個兒子有九個不是你的這種感覺。

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