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笔记本的充电线一般都有个变压器,那它的工作原理是什么? 第1页

  

user avatar   mai-wen-xue-67 网友的相关建议: 
      

它的工作原理是能量守恒。(逃

常见的笔记本电源和手机充电器是开关电源的实例。

最简单的开关电源电路可能是电蚊拍、LED手电、电棍和荧光灯管的应急灯里面的电路。

俺有一个很古老的声压计, 它里面也有开关电源。

国内最早关于开关电源的读本有国防工业出版社在1990年出版的《开关稳压电源》。尽管里面谈的例子大多用国产器件, 原理还是一样的。

《开关稳压电源》

Authors 叶慧贞, 杨兴洲 Publisher 国防工业出版社, 1990

ISBN 711800460X, 9787118004601 Length 377 pages






这个问题也是可以用电路仿真来部分解答的。




开关电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS)

又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置。

其功能是将一个电压,透过不同形式的架构转换為用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是市电或是直流电,输出多半是需要直流的设备,如电脑。


开关电源的基本原理就是磁场和/或电场能量之间的转换。


开关电源不同於线性电源,常见的开关电源利用半导体的全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)有低耗散的特点,比较节省能源,產热少。如果需要稳压,是透过调整半导体的通及断路时间来达到。相反,非低压差的线性电源功率管工作在放大区,压降相对比较大,更多电能变成热耗散。

开关电源的高转换效率是最大优点,同时因為开关频率高,可以用小尺寸、轻量的储能电感包括变压器,开关电源尺寸更小,重量更轻。不但减少能耗, 更加可以为厂家和国家节省自然资源,例如铜、铁、铝甚至石油......



利用电感和电容的工作特点,开关电源既可以升压也可以降压。

单电池LED手电是一个简单的实例。


俺还可以举一个 ZVS 谐振开关的仿真实例。

逆变器也可以算是开关电源的范畴。


逆变器(又称反流器、反用换流器;Inverter)是一个利用电路将直流电(DC)变换成交流电(AC)的器件,目的与整流器相反(AC转DC).


抽象来看, 逆变器就是把相对恒定的直流电通过电路的调制(自激或者它激振荡)输送给电感然后通过互感传输到负载的一个过程。

也就是(相对)恒定电场能量转换成交变电场能量再转换成磁场能量再转换成交变电场能量的过程。


前面说到半导体当开关, 历史上也有机械式的开关电源,用在很早期的汽车上。

如果您去翻找资料的话。 另外还有电子管的开关电源, 只不过很少见罢了。


飞机上的交流电是美国的标准, 400Hz AC 115Vrms, 如果要供给普通用户的 50/60Hz 插座就需要变频。 轮船/邮轮/渡轮上也是这样的应用场合。

汽车上的 12/24V 要供给笔记本电脑也需要类似的转换。


跑题了。

说回电路。


哦对了,电蚊拍。



关于 LTspice 的一些读物

SPICE Using OrCAD PSPICE, WINSPICE or LTSPICE

这是 Dr. Lynn Fuller 博士撰写的长达 70 页的介绍, 读一下绝对有收获。

       http://people.rit.edu/lffeee/SPICE_OrCAD_WinSPICE_Fuller.pdf https://vdocuments.site/spice-orcad-winspice-rit-peoplepeopleritedulffeeespiceorcadwinspicefullerpdf2-9-2010.html https://docplayer.net/62762097-Spice-using-orcad-pspice-winspice-or-ltspice.html     



『非法捕鱼』的电鱼机也是一个例子



** 别小看上面图中的电灯泡, 它是一个 PTC, 如果您喜欢高大上有)x(比格的名词

)x(格高一些的就用上集成电路了





经典的 500瓦 UPS 电原理图

以及其他瓦数的 UPS / 逆变器电路图






“原理是什么”


完整地解释,需要从欧姆定律、电工原理、半导体物理、晶体管电路(模拟和开关电路)的知识, 以及其他相关的大量内容,包括材料学特别铁磁材料学、电磁兼容、国标军标等等等等,恐怕一个帖子说不完。

不如您先从安装一个免费的电路仿真软件开始吧。




** 注:Linear Technology 已经被 ADI 吞并


LTspice 是一款高性能 Spice III 仿真器、电路图捕获和波形观测器,并为简化开关稳压器的仿真提供了改进和模型。我们对 Spice 所做的改进使得开关稳压器的仿真速度极快,较之标准的 Spice 仿真器有了大幅度的提高,从而令用户只需区区几分钟便可完成大多数开关稳压器的波形观测。这里可下载的内容包括用于 80% 的凌力尔特开关稳压器的 Spice 和 Macro Model,200 多种运算放大器模型以及电阻器、晶体管和 MOSFET 模型。


Dr. Lynn Fuller 博士撰写的长达 70 页的介绍, 读一下绝对有收获。

       http://people.rit.edu/lffeee/SPICE_OrCAD_WinSPICE_Fuller.pdf     


LTspice 仿真 简单的三极管低压 ZVS



仿真模型

"复制代码" , 复制,贴进记事本, 存成 ".asc"

然后用 LTSPICE 打开这个 “.asc” 文件, 如果有乱码, 麻烦您自己改一下。

       Version 4 SHEET 1 880 680 WIRE -1248 -352 -1376 -352 WIRE -1200 -352 -1248 -352 WIRE -1072 -352 -1200 -352 WIRE -800 -352 -992 -352 WIRE -1376 -288 -1376 -352 WIRE -1200 -240 -1200 -352 WIRE -1248 -208 -1248 -352 WIRE -1120 -192 -1136 -192 WIRE -992 -192 -1056 -192 WIRE -1376 -144 -1376 -208 WIRE -992 -128 -992 -192 WIRE -992 -128 -1024 -128 WIRE -848 -128 -992 -128 WIRE -752 -128 -848 -128 WIRE -1200 -80 -1200 -160 WIRE -1200 -80 -1280 -80 WIRE -1152 -80 -1200 -80 WIRE -1088 -80 -1152 -80 WIRE -752 -80 -752 -128 WIRE -1280 -48 -1280 -80 WIRE -640 -48 -704 -48 WIRE -848 0 -848 -128 WIRE -704 0 -704 -48 WIRE -640 0 -640 -48 WIRE -800 32 -800 -352 WIRE -752 32 -752 0 WIRE -752 32 -800 32 WIRE -1280 64 -1280 16 WIRE -1280 64 -1392 64 WIRE -1024 64 -1024 -32 WIRE -1024 64 -1280 64 WIRE -752 64 -752 32 WIRE -1392 96 -1392 64 WIRE -1280 96 -1280 64 WIRE -704 112 -704 80 WIRE -640 112 -640 80 WIRE -640 112 -704 112 WIRE -1024 128 -1024 64 WIRE -640 144 -640 112 WIRE -1280 176 -1280 160 WIRE -1248 176 -1248 -128 WIRE -1248 176 -1280 176 WIRE -1136 176 -1136 -192 WIRE -1136 176 -1248 176 WIRE -1088 176 -1136 176 WIRE -848 176 -848 64 WIRE -800 176 -848 176 WIRE -752 176 -752 144 WIRE -752 176 -800 176 WIRE -992 224 -1024 224 WIRE -800 224 -800 176 WIRE -800 224 -992 224 WIRE -1152 272 -1152 -80 WIRE -1120 272 -1152 272 WIRE -992 272 -992 224 WIRE -992 272 -1056 272 FLAG -1392 96 0 FLAG -1376 -144 0 FLAG -640 144 0 SYMBOL npn -1088 -128 R0 SYMATTR InstName Q1 SYMATTR Value 2N2222 SYMBOL npn -1088 224 M180 SYMATTR InstName Q2 SYMATTR Value 2N2222 SYMBOL diode -1264 16 R180 WINDOW 0 24 64 Left 2 WINDOW 3 24 0 Left 2 SYMATTR InstName D1 SYMATTR Value 1N914 SYMBOL diode -1296 96 R0 WINDOW 3 -25 105 Left 2 SYMATTR InstName D2 SYMATTR Value 1N914 SYMBOL ind2 -768 -96 R0 WINDOW 0 -21 27 Left 2 WINDOW 3 23 -23 Left 2 SYMATTR InstName L1 SYMATTR Value 5000n SYMATTR Type ind SYMBOL ind2 -768 48 R0 WINDOW 0 -37 64 Left 2 WINDOW 3 32 131 Left 2 SYMATTR InstName L2 SYMATTR Value 5000n SYMATTR Type ind SYMBOL ind2 -688 96 R180 WINDOW 0 -26 110 Left 2 WINDOW 3 -35 169 Left 2 SYMATTR InstName L3 SYMATTR Value 30m SYMATTR Type ind SYMBOL voltage -1376 -304 R0 WINDOW 123 0 0 Left 2 WINDOW 39 0 0 Left 2 SYMATTR InstName V1 SYMATTR Value 5 SYMBOL ind -1088 -336 R270 WINDOW 0 32 56 VTop 2 WINDOW 3 5 56 VBottom 2 SYMATTR InstName L4 SYMATTR Value 10m SYMBOL cap -864 0 R0 SYMATTR InstName C1 SYMATTR Value 100n SYMBOL diode -1120 -176 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 0 32 VBottom 2 SYMATTR InstName D3 SYMATTR Value 1N914 SYMBOL diode -1120 288 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 0 32 VBottom 2 SYMATTR InstName D4 SYMATTR Value 1N914 SYMBOL res -1216 -256 R0 SYMATTR InstName R1 SYMATTR Value 999 SYMBOL res -1232 -112 R180 WINDOW 0 36 76 Left 2 WINDOW 3 36 40 Left 2 SYMATTR InstName R2 SYMATTR Value 1000 SYMBOL res -656 -16 R0 SYMATTR InstName R3 SYMATTR Value 1000k TEXT -760 216 Left 2 !K1 L1 L2 L3 1 TEXT -1484 250 Left 2 !.tran 0 1 0 1e-9 startup     

"复制代码" , 复制,贴进记事本, 存成 ".asc",然后用 LTSPICE 打开这个 “.asc” 文件, 如果有乱码, 麻烦您自己改一下。



LTspice 仿真 12v供电3000V输出



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       Version 4 SHEET 1 880 680 WIRE -1376 -352 -1488 -352 WIRE -1248 -352 -1376 -352 WIRE -1200 -352 -1248 -352 WIRE -1072 -352 -1200 -352 WIRE -800 -352 -992 -352 WIRE -1488 -288 -1488 -352 WIRE -1376 -288 -1376 -352 WIRE -1200 -240 -1200 -352 WIRE -1248 -208 -1248 -352 WIRE -1120 -192 -1136 -192 WIRE -992 -192 -1056 -192 WIRE -1488 -176 -1488 -224 WIRE -1376 -176 -1376 -208 WIRE -1376 -176 -1488 -176 WIRE -1376 -144 -1376 -176 WIRE -992 -128 -992 -192 WIRE -992 -128 -1024 -128 WIRE -848 -128 -992 -128 WIRE -752 -128 -848 -128 WIRE -1200 -80 -1200 -160 WIRE -1200 -80 -1280 -80 WIRE -1152 -80 -1200 -80 WIRE -1088 -80 -1152 -80 WIRE -752 -80 -752 -128 WIRE -1280 -48 -1280 -80 WIRE -1088 -48 -1088 -80 WIRE -1072 -48 -1088 -48 WIRE -640 -48 -704 -48 WIRE -1200 -32 -1200 -80 WIRE -848 0 -848 -128 WIRE -704 0 -704 -48 WIRE -640 0 -640 -48 WIRE -800 32 -800 -352 WIRE -752 32 -752 0 WIRE -752 32 -800 32 WIRE -1280 64 -1280 32 WIRE -1280 64 -1392 64 WIRE -1200 64 -1200 32 WIRE -1200 64 -1280 64 WIRE -1024 64 -1024 -32 WIRE -1024 64 -1200 64 WIRE -752 64 -752 32 WIRE -1280 80 -1280 64 WIRE -1392 96 -1392 64 WIRE -1200 96 -1200 64 WIRE -704 112 -704 80 WIRE -640 112 -640 80 WIRE -640 112 -704 112 WIRE -1024 128 -1024 64 WIRE -1072 144 -1088 144 WIRE -640 144 -640 112 WIRE -1280 176 -1280 160 WIRE -1248 176 -1248 -128 WIRE -1248 176 -1280 176 WIRE -1200 176 -1200 160 WIRE -1200 176 -1248 176 WIRE -1136 176 -1136 -192 WIRE -1136 176 -1200 176 WIRE -1088 176 -1088 144 WIRE -1088 176 -1136 176 WIRE -848 176 -848 64 WIRE -800 176 -848 176 WIRE -752 176 -752 144 WIRE -752 176 -800 176 WIRE -992 224 -1024 224 WIRE -800 224 -800 176 WIRE -800 224 -992 224 WIRE -1152 272 -1152 -80 WIRE -1120 272 -1152 272 WIRE -992 272 -992 224 WIRE -992 272 -1056 272 FLAG -1392 96 0 FLAG -1376 -144 0 FLAG -640 144 0 SYMBOL ind2 -768 -96 R0 WINDOW 0 -21 27 Left 2 WINDOW 3 23 -23 Left 2 SYMATTR InstName L1 SYMATTR Value 1000n SYMATTR Type ind SYMBOL ind2 -768 48 R0 WINDOW 0 -37 64 Left 2 WINDOW 3 32 131 Left 2 SYMATTR InstName L2 SYMATTR Value 1000n SYMATTR Type ind SYMBOL ind2 -688 96 R180 WINDOW 0 -26 110 Left 2 WINDOW 3 -35 169 Left 2 SYMATTR InstName L3 SYMATTR Value 50m SYMATTR Type ind SYMBOL voltage -1376 -304 R0 WINDOW 123 0 0 Left 2 WINDOW 39 12 -15 Left 2 SYMATTR SpiceLine Rser=0.1 SYMATTR InstName V1 SYMATTR Value 12 SYMBOL ind -1088 -336 R270 WINDOW 0 32 56 VTop 2 WINDOW 3 5 56 VBottom 2 SYMATTR InstName L4 SYMATTR Value 300? SYMBOL cap -864 0 R0 SYMATTR InstName C1 SYMATTR Value 470n SYMBOL diode -1120 -176 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 0 32 VBottom 2 SYMATTR InstName D3 SYMATTR Value 1N914 SYMBOL diode -1120 288 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 0 32 VBottom 2 SYMATTR InstName D4 SYMATTR Value 1N914 SYMBOL res -1216 -256 R0 SYMATTR InstName R1 SYMATTR Value 512 SYMBOL res -1232 -112 R180 WINDOW 0 36 76 Left 2 WINDOW 3 36 40 Left 2 SYMATTR InstName R2 SYMATTR Value 510 SYMBOL res -656 -16 R0 SYMATTR InstName R3 SYMATTR Value 100k SYMBOL nmos -1072 -128 R0 SYMATTR InstName M1 SYMATTR Value IRF530 SYMBOL nmos -1072 224 M180 SYMATTR InstName M2 SYMATTR Value IRF530 SYMBOL zener -1184 32 R180 WINDOW 0 24 64 Left 2 WINDOW 3 71 132 Left 2 SYMATTR InstName D5 SYMATTR Value BZX84C12L SYMBOL zener -1216 96 R0 WINDOW 3 -106 109 Left 2 SYMATTR Value BZX84C12L SYMATTR InstName D6 SYMBOL res -1264 48 R180 WINDOW 0 36 76 Left 2 WINDOW 3 36 40 Left 2 SYMATTR InstName R4 SYMATTR Value 10K SYMBOL res -1264 176 R180 WINDOW 0 36 76 Left 2 WINDOW 3 36 40 Left 2 SYMATTR InstName R5 SYMATTR Value 10K SYMBOL cap -1504 -288 R0 SYMATTR InstName C2 SYMATTR Value 1m TEXT -760 216 Left 2 !K1 L1 L2 L3 1 TEXT -1488 248 Left 2 !.tran 0 1 0 1e-9 startup     

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时髦的氮化镓开关电源充电器


开关电源能量密度不只是受开关管的限制, 还受磁性材料和铜的导电性能限制。

整流的肖特基二极管和储能电容也是制肘的因素。

80年代就有开关电源了, 那时候还没流行氮化镓呢。

即便没有氮化镓的技术, 硅功率器件的潜力还远远没有挖掘透。 比如同步整流可以提升效率, 谐振开关也可以提高硅功率器件的工作频率。


氮化镓在低频下只比硅功率器件效率高0.5-1.2%, 如果不是高频率带来体积缩小的利好,

要让本身就挣扎在薄利多销边缘的电源厂家当小白鼠去尝试氮化镓功率IC无疑需

要氮化镓功率IC 厂家采取更灵活的推销战略才有可能。

氮化镓功率IC 推广阻力不会小。




(举例) NAVITAS 氮化镓功率IC 参考板 NVE052A 能提供 300瓦 实现更小的尺寸


氮化镓充电器和普通的充电器有什么区别?

您可以看到, 实际上是没有本质的区别。

某硕就用了这个厂商的 300瓦方案。






NVE028A使用低成本的制造技术实现了小尺寸(51mm x 43mm x 20.5 mm)和突破性的功率密度(1.5瓦/立方厘米,24瓦/立方英寸)。 (举例2)


mouser.cn/ProductDetail GaN Systems GS-EVB-ACDC-300W-ON Power Supply



[机器翻译]GaN Systems GS-EVB-ACDC-300W-ON电源是一款基于氮化镓器件的超高功率密度适配器,通用AC输入和340W峰值功率。提供高效率的PFC与同步整流。GS-EVB-ACDC-300W-ON电源具有高度的通用性,低成本的2层设计,功率密度高达34W*in^-3


典型的应用包括游戏笔记本和游戏机的电源转换,开架电源,工业电源,以及OLED超高清电视和VR系统的适配器。

氮化镓功率器件的普及难点与挑战在于市场上依然以硅功率器件为主流。

硅功率器件的典型开关频率是100K赫兹左右,氮化镓功率器件可以轻松做到1M赫兹,甚至更高。

传统硅器件的问题在于开关频率越高效率下降越快发热越严重。

氮化镓功率器件工作频率的提高允许(储能元件)功率密度上升,同时减少发热(各种损耗)。


新设计的氮化镓功率器件可以把外围驱动和控制电路收在一起,这样在绝缘条件允许下可以做得尽可能小,总体成本有可能更便宜。对于氮化镓功率器件来说,最重要的挑战是可靠性问题。除了可靠性问题,氮化镓的功率器件开关频率非常高,驱动电路需要芯片厂家设计。 一般的用户并无能力自行设计。


很多时候最终用户会以为是移动设备的设计师设计了电源, 真相是NAVITAS、 TI、ADI/LTC、ST这样的 IC 厂商给他们提供了现成的方案而已。

另外碳化硅功率器件也是氮化镓功率器件的有力竞争对手。

无疑客户是价格敏感的。


从上边的插图也能看到, 占据电源大部分体积的是输入插座口、EMI 滤波器、扼流圈、变压器、滤波电容、储能电感电容等等。

为了防爬电过安规, 割的那条槽就很宽。

使用 氮化镓功率IC也不可能把体积削减为零。


以 24瓦/立方英寸计算, 俺的笔记本电源 240瓦就允许有10 立方英寸的体积。会缩小到目前的 1/2 ~ 1/3 体积。 那也和俺 THINKPAD T420 的老充电器差不多大小。 。。。。。。


更高频率的高达微波频率的“开关电源”也有人发表过博士论文

Madsen, Mickey Pierre,(VHF) Very High Frequency Switch-Mode Power Supplies. Miniaturization of Power Electronics. Publication date 2015


俺希望微波频率的“开关电源”成品早日走向社会, 造福人类。

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【此处省略 32万字】


【未完待续】


user avatar   zhong-ke-yuan-wu-li-suo 网友的相关建议: 
      

这是一个笔记本电脑电源适配器的电路图,我们这里就分析这个电路图是如何将市电转化为笔记本供电的直流电的。

我们从输入端开始看起,字母L代表火线(live wire),字母N代表零线(neutral wire),首先经过的由共模的互感线圈 L3、L4和电容C1和电阻R1、R2构成的电磁干扰抑制电路,这一部分的作用是过滤掉市电中的共模信号,以及高频信号,防止这些信号对后面的电路造成干扰,起到保护电路的作用。可以看到R1和R2的阻值为2.2MΩ是很大的,这两个电阻的作用是确保在断电以后,电容C1能够通过R1和R2释放掉其中储存的电能,如果没有这两个电阻,电容中的能量有可能会经过后面的电路释放,破坏后面的电路,或者在插头处产生电火花,这都是需要避免的。

接着后面的D1被称作为桥式整流电路,通过这四个二极管可以将交流信号整流成为直流信号,但是此时的直流信号并不稳定,电压的大小会随时间产生波动。

后面就到了整个电路的核心部分,这个电路使用的是反激(flyback)结构。首先介绍一下反激电路的基本结构

在反激电路中有一个开关,当开关接通的时候,电路处在左边的状态,此时电源向互感线圈充电,此时电容中存储的电能向负载供电;当开关断开的时候,互感线圈向右侧的电路放电,此时电容充电。因此我们就可以通过不停地接通和断开开关,来达到调控负载上电压的目的,并且输出的电压和接通时间和断开时间有关。回到我们的电路中,提取电路中的核心器件,可以看出反激电路的结构

为了稳定输出的电压值,这里面引入了负反馈结构,电路中的U3A和U3B为一组发光二极管和光电三极管,起到光耦隔离的作用,即可以将电压信号从输出端反馈给输入端,但是确保了输出和输入端电压和电流的相互串扰。这里面使用的开关能够通过从输出端反馈的电压信号的变化,调节开关的开启时间和关闭时间,进而确保输出电压能够稳定在某一个确定的值(这里面的输出电压被稳定在19V)

参考资料:

65W LAPTOP POWER ADAPTER CIRCUIT DIAGRAM

Diode bridge

Flyback converter




  

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