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时恒电子——高性能电阻器在电源设计中的几种用途

发布时间:2018/5/7    访问人数:79次

市场上有各种各样的供电电源,这些电源设计中采用的多种电阻器更是大大拓展了选择范围。为明确起见,本文所涉及的电源是指具有高达几千伏固定直流输出的电源设备。

无论何种应用,电源设计人员都必须了解所适用领域的具体安全或环境规定,以及实际的电气性能。本文将重点介绍如何使用电阻来调节电源输出并保护电源不出故障。

电源的分类通常取决于输入是交流还是直流,以及使用何种类型的调节方式来提供正确的直流输出,通常是开关模式或线性模式。

工频线电压通常为AC-DC电源供电,而电池或任何其它直流电源则提供DC-DC供电。这些DC-DC转换器使用开关模式技术将输入电压调节为更高(升压)或更低(降压)的输出电压。

现成的电源适于许多市场和常规用途,但在某些情况下需要定制设计。

线性稳压器

要了解组件在电源中的作用,有必要了解电源工作的基本原理。许多工程师都记得设计一个如图1所示的电路。该电路使用齐纳二极管为负载(R2)提供恒定电压。R1用于提供最小电流以保持齐纳二极管处于恒定击穿状态,并提供负载电流。

高性能电阻器在电源设计中的几种用途

图1:一个简单的齐纳二极管稳压器电路。

此类系统适用于功率较低且供电电压和负载都相当稳定的电路。如果负载电流降低或电源电压突然增加,则可能会超出齐纳二极管的额定功耗。这种电路中的电阻很容易选择,只要其额定功率符合齐纳二极管和负载的组合功率要求即可。

对于供电电压或负载可能变化的电源,串联设计可以使用传输晶体管(pass transistor),这将确保负载电流稳定,并可将电压输出降低到所期望的范围。

图2示出了这种电路。这些设计通常使用IC或低压差(LDO)稳压器来调节负载电源。由R1和R2形成的分压器感测并设置相对于参考电压的电压输出。如果电路具有固定输出,则分压器位于内部;对于其它应用,可以在外部放置一两个电阻。

选择电阻值以提供所需的比率,最重要的考虑因素是精度。如果比较器电路具有高增益和高输入阻抗,则可以使用图1中的公式轻松计算最差情况下的数值,首先选R1最大值和R2最小值,然后选R2最大值和R1最小值。这些计算可显示出与期望输出的最大电压偏差。

开关电源

由于串联的传输器件和负载都会消耗能量,线性电源可能效率比较低。随着负载上压降的增加,效率会更低。

高性能电阻器在电源设计中的几种用途

图2:线性串联稳压器简图。

为提高效率,设计师经常使用另一种电源拓扑结构。开关电源(SMPS)采用未经调节的输入直流电压,并以高频率(10kHz至1MHz)进行切换。占空比决定整流和平滑后的直流输出电压。

SMPS输出的调节也使用分压器,但是要调节开关频率和占空比。通过避免线性稳压器压降带来的损失,SMPS可实现高达95%的效率。由于高频变压器和滤波器/储能电容器尺寸要小得多,SMPS也可能比类似功率的线性AC-DC电源设计更紧凑。

SMPS的主要缺点是它要求必须有最小负载,空载状态可能会损坏电源。为避免这种情况,设计人员经常使用一个功率电阻作为假负载。如果主负载断开,该电阻器可以用于吸收最小的特定负载电流。当然,假负载电阻也会有功耗,从而影响整体电源效率,因此在选定电阻时需要考虑这个因素。规避该问题的另一种方法是当负载开路时在输出端使用分流电阻。出于安全目的,SMPS设计也会采用其它电阻器。低阻值、高功率电阻器通常可防止过压情况。而限流设计则可防止短路。

此类开关技术也可以用于DC-DC转换器设计,将直流电压的一个值调节为另一个值。降压转换器在工作原理上非常类似于前述的SMPS设计。升压转换器则使用电荷泵技术输出比输入端更高的电压。这两种技术都使用类似方法来调节输出电压并提供电路保护。
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