AC-DC工作原理以及PCB设计要点

凡亿PCB 2024-08-02 11:02

为什么需要将AC转换成DC?

因为大部分家庭所使用的电器都是在5v,3.3v的DC电压,如果不把AC转换成DC就无法使电器工作。


为什么一开始供电站不直接传输DC呢?

因为我们的电力通常都是在比较偏僻的山区或者是沿海地区,从这些地区传输到市区,AC电压会比较有优势,通过高电压低电流方式传输AC电压,可以减小传输的损耗,高压电经过供电站分阶段转换成220VAC后再传输到家庭当中。


AC一般有哪些方式转换成DC?

一般AC转换成DC有两种方式:

1. 变压器转换

2. 开关方式转换


如何转换,转换的原理是什么?

变压器转换:

1.变压器转换是先由低频变压器(因为AC高压的频率是50-60HZ)将AC高压转换成AC低压。

2.然后再通过整流将已经降压的AC转换成DC。

3.但是由于刚转换过的DC纹波太严重了,我们要想办法把纹波减小,这个时候我们可以通过电容滤波来平滑电压。


整流方式:


AC-DC变压器实现方式:


AD-DC变压器实现方式波形变化:


开关方式转换:

1. 先采用桥式整流将AC转换成DC

2. 然后通过电容平滑电压

3. 接着通过开关元件对直流电压进行斩波

4. 经过高频变压器降压后斩波变为方波

5. 然后再利用整流二极管对方波进行半波整流

6. 之后再利用电容器平滑电压,并输出直流电压


AC-DC开关实现方式:


AD-DC开关实现方式波形变化:


这两种转换方式都有什么优缺点呢?



用于AC-DC的电源拓扑,一般有正激式开关电源、反激式开关电源、半桥式开关电源以及全桥式开关电源等等。

AC-DC电路框架看起来似乎很简单,但是实际的电路我们还需要加上其他电路来确保电源转换的可控性,高效性,以及安全性等等!


完整AC-DC基本电路框架

一个完整的AC-DC电路通常会包含以下几个电路模块:

. 在整流之前,AC转DC电源通常需要添加一个输入滤波电路,同于去除输入交流电中的高频噪声和干扰,这样可以保证稳定的直流输出,并减少对后续电路的干扰。

. 整流桥:用于将交流电输入转换为直流电,整流桥通常是由四个二极管组成,可以将交流电的正半周和负半周分别转换为正向和反向的直流电。

. 滤波电路:用于平滑输出的直流电,去除其中的纹波,一般使用电容器或电感器构成低通滤波电路,通过存储或消耗电荷以减小输出的纹波。

. 稳压电路:用于输出稳定的电压,稳压电路通常由稳压器组成,可以通过反馈调整输出电压。

. 输出保护电路:用于保护负载和电源电路,常见的输出保护电路包含过流保护,过压保护和短路保护等等。

. 控制电路:用于控制整个电源电路的运行,控制电路通常包括开关电源控制器,反馈控制和保护电路等等。


原理图分析

本次我们采用的电源芯片为“HFC0500”,以下为管脚分布与管脚描述以及对应的应用电路



1. 上图中的保险丝可以对在电流异常时产生保护的作用,经由保险丝之后再由为共模电感滤除信号的共模干扰,CX1为X电容,X电容的作用是放置在输入线两端用来消除差模干扰(扩展:Y电容的作用是接在输入线与地线之间,用来消除共模干扰)。

2. 然后经过整流桥进行整流,将交流电转换为直流电,再通过电容对干扰进行滤除,C1到T1中间的电容电阻以及二极管组成的是RCD吸收电路,主要目的是为了保护下面这个开关管

3. HFC0500芯片5脚为驱动信号输出管脚,通过控制右侧开关管的开和关,对直流进行斩波。

4. 再经过高频变压器T1降压后变为方波

5. 接着再通过右侧的整流二极管D6对方波进行半波整流

6. 最后通过电容C10,C11滤波之后则把我们需要的电压转换出来了

7. 图五为电路的反馈以及稳压部分,可以通过反馈控制实现输出电压的调节,其中光耦主要是起隔离、提供反馈信号和开关作用。


PCB设计注意要点

1.在处理电源PCB设计时电源环路是很重要的,我们要把三个环路做到最小,环路只有足够小他的抗干扰能力才强,以及他对外界的干扰也会变弱,首先第一个环路是输入回路(C1-T1-Q1-R11/R12/R13-C1),辅助绕组回路(辅助绕组回路可以有效地减小漏感电压,从而降低变压器的电磁干扰和损耗,其次辅助绕组还可以提高变压器的自耦比和换能比,从而增强了变压器的电性能)(T1-D4-R4-C3-T1)以及输出回路(T1-D6-C10-T1)。

2.在GND的处理上面输入回路GND和控制电路的GND需要分开,只在C1处连接。

3.将Q1散热器连接到主GND平面,提高抗干扰能力,由于高频开关处干扰以及噪声会很强,所以在此处可以在将电路板掏空一部分,从而达到与其他信号隔离的作用。

4.反馈线比较敏感,很容易受到干扰,因此功率线应该和反馈线应该要分开,而且尽量缩短反馈线的长度。

5.在光耦中间把板框掏空,对光耦两侧进行隔离。


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