嵌入式硬件杂谈（六）充电器原理 线性电源 开关电源 反激电源原理
引言：
随着嵌入式设备的广泛应用，各种电源设计在现代电子设备中扮演着至关重要的角色。从初代线性电源到如今高效的开关电源和反激电源，电源技术经历了多年的发展和演变。无论是传统的家用设备，还是复杂的工业系统，电源设计的效率、体积、成本和稳定性都直接影响着设备的性能与市场竞争力。本文将从基础原理入手，依次介绍初代电源、线性电源与开关电源的区别，并重点探讨反激电源的工作原理，为读者提供一份系统且实用的电源设计参考。
目录
一、初代电源原理
初代电源的核心原理是将高压交流电通过变压器降压，经过整流桥转换为脉动直流电，然后通过滤波和稳压，得到平稳的直流电输出。
1. 交流输入
- 输入高压交流电（如 220V 或 110V）。
- 为保证安全和适配性，通常接入保险丝和开关。
2. 变压器降压
- 功能：将高压交流电转换为低压交流电。
- 原理：通过变压器的初级线圈（高压侧）和次级线圈（低压侧）间的匝数比控制电压。
- U1,U2：初级、次级电压。
- N1,N2N_1, N_2N1,N2：初级、次级线圈匝数。
- 特点：电气隔离，提高安全性。
3. 整流桥整流
- 结构：整流桥由四个二极管组成，桥式连接。
- 工作过程：
- 正半周期：二极管 D1 和 D2 导通，电流流过负载。
- 负半周期：二极管 D3 和 D4 导通，电流方向保持一致。
- 输出：双峰脉动直流电。
其实就是利用全桥电路反转负半轴的波形，正半周期跟负半周期走的路径不同，原理如下所示：
4. 滤波
- 目的：减少脉动，平滑电压波形。
- 方法：通常使用滤波电容。
- 电容在电压升高时储存电荷，在电压降低时释放电荷，填补波谷。
- 效果：输出接近平稳的直流电，但可能含有小纹波。
因此电压还是十几伏，我们还需要加一个线性稳压器降压。
5. 稳压（可选）
- 目的：提供精确的直流电压输出。
- 方式：
- 齐纳二极管稳压：用于低功率场景。
- 三端稳压器（如 7805、7812）：提供恒定的输出电压。
6.电压计算
交流电峰值：
整流后电压：
为整流桥中二极管的压降（硅二极管每个约 0.7V，整流桥有两个。
7.优缺点
优点：
- 简单可靠：适合早期低功耗电子设备。
- 电气隔离：变压器提供了良好的安全性。
- 低成本：组件简单。
缺点：
- 体积大：变压器和散热器增加了电源的体积和重量。
- 效率低：整流和稳压过程中存在能量损耗。
- 散热问题：线性稳压器需要消耗多余功率以稳定输出。发热很严重！
二、线性电源和开关电源的区别
对于上述的问题，此时我们就引入了开关电源了。
左边的就是利用我第一部分所说的结构做的，体积也非常的大，右图的是利用何种原理能做到如此小的？我们后面会继续讲，此作为一个引子。
如下为右图充电器的原理结构图。
只是排列位置的改变，以及稳压LDO改成了一颗mos管以及一个控制芯片，整个过程就是整流桥整流，滤波处理，利用mos管不停的开关就产生了方波加载在这个变压器上面，利用变压器去感应出另外一个比较低的电压，最后再一次滤波处理。
因此我们对于上述的结构进行分析如下：
左图：220V的交流电被直接送入变压器，然后输出经过整流滤波就转为了直流电 。
右图：先把220v蒸馏滤波变成了直流电，然后再把直流电方波的交流电送入变压器，传输过去之后再把交流电转变为直流电。（之所以要这么麻烦，本质就是为了减小体积和减少发热）
频率高的好处就是可以使用很小的变压器了，也可以通过实时的占空比来稳定电压了。
1. 工作原理
线性电源
- 工作原理：
- 利用变压器将交流电（AC）降压。
- 通过整流桥将交流电转换为脉动直流电。
- 使用滤波电容平滑电压。
- 最后通过线性稳压器（如 LM7805）调节输出为稳定的直流电。
- 关键点：线性稳压通过消耗多余的功率来调节输出电压，工作在 线性模式。
开关电源
- 工作原理：
- 直接将市电通过整流桥和滤波电路转为高压直流。
- 通过高频开关管（如 MOSFET）进行高速开关操作，控制电感或变压器储能和放能。
- 使用 PWM 或其他控制方式调节输出电压。
- 经过整流和滤波后，输出稳定的直流电。
- 关键点：通过 开关工作模式 实现高效能量转换。
2. 效率
- 线性电源：效率较低，特别是输入电压与输出电压差较大时，损耗更多，多余的电压以热量形式散失。
- 开关电源：效率高，一般可达 85%-95%，适合高功率设备。
3. 体积与重量
- 线性电源：由于需要大体积的变压器和散热器，体积和重量较大。
- 开关电源：利用高频变压器，体积小、重量轻。
4. 输出特性
- 线性电源：输出纹波低，噪声小，适合对电源质量要求高的场合（如音频设备、测试仪器）。
- 开关电源：输出纹波较高，存在一定高频噪声，但可以通过后级滤波减小。
5. 稳压性能
- 线性电源：响应速度快，输出精度高。
- 开关电源：稳压精度稍差，但通过优化设计也可以满足大部分需求。
6. 散热
- 线性电源：由于功率损耗大，发热严重，需要较大的散热器。
- 开关电源：效率高，发热量小，散热需求低。
7. 应用场景
- 线性电源：
- 小功率应用。
- 对低噪声、高精度电源有需求的场景，如实验室电源、医疗设备、音频设备。
- 开关电源：
- 大功率应用。
- 对效率、体积要求较高的场景，如电脑电源、通讯设备、电动车充电器。
8. 成本
- 线性电源：结构简单，成本低，但随着功率需求增加，散热和变压器成本上升。
- 开关电源：初期设计复杂、成本较高，但体积小、效率高，在大批量生产中更具经济性。
总结对比表
| 特性 | 线性电源 | 开关电源 |
|---|---|---|
| 效率 | 低（<60%） | 高（85%-95%） |
| 体积与重量 | 大 | 小 |
| 输出噪声 | 低 | 略高 |
| 稳压性能 | 精度高，响应快 | 稍逊，优化后可满足需求 |
| 发热 | 高 | 低 |
| 复杂性 | 简单 | 较复杂 |
| 应用场景 | 实验室设备、音频设备 | 电脑、通讯设备、大功率设备 |
三、反激电源的原理
如上我们所讲的有个拓补结构叫做反激电源，因为他的绕组是相反的。
首先在220V转为5V拓补结构就有很多，比如LLC、推挽、正激、反激等等，但是由于反激结构性价比比较高，我们就利用此结构了。缺点就是大功率效率太低了。
对此我们在前面也有提到过这个结构，这边就不继续赘述了。
具体的电路分析后面有时间也会继续更新的。
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