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为什么充电头越做越小—开关电源与线性电源—变压器原理

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小时候使用的铅酸雅阁牌电筒体积重量,是硕大无比,充电器也是如此,但是为了零花钱,还是提着它在整个村子走半夜(照黄鳝、青蛙),坏了,...

小时候使用的铅酸雅阁牌电筒体积重量,是硕大无比,充电器也是如此,但是为了零花钱,还是提着它在整个村子走半夜(照黄鳝、青蛙),坏了,拆开里面铜丝也是各种玩具的原材料

现在的充电器充越来越小,这是为什么呢?

早先的手机充电器是铁芯的,如下图所示

充电器大不大主要看变压器,要使变压器输出更大的功率,在电压一定的情况下,圈数要尽可能的少、导线尽可能的粗。这样才有利于提供较大的电流,输出更大的功率。前者需要较大的磁芯截面积,后者要求较大的磁芯窗口面积。因此要获得较大的输出功率磁芯尺寸必须够大才行因此,在一定电压下,增大截面积Ae、提高工作频率f和选择更大的峰值磁通密度Bmax,都有利于减少圈数,提高输出功率。但是,磁芯的损耗(铁损)是按Bmax的2.7次幂和f的1.7次幂呈指数增长的,Bmax还受磁芯饱和的限制。因此,功率主要靠磁芯截面积Ae、工作频率f控制。

以前的充电器就靠增大磁芯来提高效率,所以变压器很大。现在的充电器靠电路提高频率,这样变压器就可以做的很小。

单相变压器波形图

目前主要包括两种电源类型:线性电源(linear)和开关电源(switching)

线性电源原理

目前主要包括两种电源类型:线性电源(linear)和开关电源(switching)。线性电源的工作原理是首先将127 V或者220 V市电通过变压器转为低压电,比如说12V,而且经过转换后的低压依然是AC交流电;然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流,并将低压AC交流电转化为 脉动电压(配图1和2中的“3”);下一步需要对脉动电压进行滤波,通过电容完成,然后将经过滤波后的低压交流电转换成DC直流电(配图1和2中的 “4”);此时得到的低压直流电依然不够纯净,会有一定的波动(这种电压波动就是我们常说的纹波),所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最 后,我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了(配图1和2中的“5”)

标准的线性电源设计图

线性电源的波形

对于线性电源而言,其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比:也即说如果输入市电的频率越低时,线性电源就需要越大的电容和变压器, 反之亦然。由于当前一直采用的是60Hz(有些国家是50Hz)频率的AC市电,这是一个相对较低的频率,所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。 此外,AC市电的浪涌越大,线性电源的变压器的个头就越大。

  由此可见,对于个人PC领域而言,制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动,因为它的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人PC用户并不适合用线性电源。

开关电源原理

  开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言,AC输入电压可以在进入变压器之前升压(升压前一般是50-60 KHz)。随着输入电压的升高,变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这种高频开关电源正是我们的个人PC以及像VCR录像机这样的设 备所需要的。需要说明的是,我们经常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式,和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。

  事实上,终端用户的PC的电源采用的是一种更为优化的方案:闭回路系统(closed loop system)——负责控制开关管的电路,从电源的输出获得反馈信号,然后根据PC的功耗来增加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器 (这个方法称作PWM,Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)。所以说,开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整,从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少 量的能量,而且降低发热量。

  反观线性电源,它的设计理念就是功率至上,即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下,结果产生高很多的热量

没有PFC电路的电源有PFC电路的电源


未完待续,……



参考文章:

电气 | 学习变压器原理和构造,这一篇文章就够了

开关电源工作原理超详细解析

变压器的种类有几种?

https://www.guokr.com/question/466184/