降壓型開(kāi)關(guān)電源教程
[導(dǎo)讀]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?線性穩(wěn)壓器教程?中，我們學(xué)習(xí)了L7805等線性穩(wěn)壓器的使用。它們使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是效率低下。例如，如果您嘗試用26伏電壓為線性穩(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...
今天我們一起學(xué)習(xí)降壓型開(kāi)關(guān)電源。
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)基本電路以比線性穩(wěn)壓器（Linear Voltage 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。
為什么需要開(kāi)關(guān)電源
在之前的?線性穩(wěn)壓器教程?中，我們學(xué)習(xí)了 L7805 等線性穩(wěn)壓器的使用。它們使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是效率低下。例如，如果您嘗試用 26 伏電壓為線性穩(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 or Step-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)基本電路以比線性穩(wěn)壓器（Linear Voltage 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 
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