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信平电子:为什么现在的手机充电器又小又轻便

2018-02-23 09:35:27 德州信平电子有限公司 阅读

十年前的直流电源又大又笨重,是这样子的:

为什么现在的手机充电器又小又轻便

▲ 老式直流电源现在呢?手机充电器只有1英寸大小,笔记本电脑电源也比早前小了。

为什么现在的手机充电器又小又轻便

为什么现在的手机充电器又小又轻便

▲ 新式直流电源

为什么现在的手机充电器又小又轻? 让我们动手一探究竟吧!

老式直流电源拆解

先拆开老式直流电源,如图1所示,里面主要有变压器(transformer)、整流二极管桥堆(diode bridge)、滤波电容器(filter capacitor)等元件。

为什么现在的手机充电器又小又轻便

图1 老式直流电源拆解图

原理也比较简单,交流输入220V采用铁芯变压器降压(step down)后再由二极管整流、电容滤波处理后输出所需直流电压(如6V、9V、12V等)。

为什么现在的手机充电器又小又轻便

▲ 老式直流电源铭牌及其变压器

这个变压器比较笨重,因为其工作频率为不变的50Hz,为使变压器工作有足够的感抗,也就意味着体积很大。所以老式充电器的体积主要受变压器限制,而显得又大又重(bulky)。

新式直流电源拆解

再拆开新式直流电源,如图2所示,里面仍然有变压器、二极管桥堆、滤波电容等元件,只不过多了三极管(transistor)和集成电路芯片(IC)。

为什么现在的手机充电器又小又轻便

图2 新式直流电源拆解图

戳下面视频看详情(虽然这个老师的英语发音不标准,但却非常清晰地讲解了手机充电器内部元件组成和工作原理)。

▲ 现行手机充电器内部构造和原理

需要我们关注的是:新式直流电源采用了高频变压器。普通变压器工作在50Hz,而高频变压器的原边输入电压频率远比50Hz高,所以要求的变压器感抗较小,变压器线圈匝数变少,其体积就可以做得很小。加上现在的器件都小型化了,所以电源整体体积就小了,重量也轻了。

电气工作原理如图3所示,经过交流输入→整流成直流→高频交流→降压→滤波→直流输出。

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图3 新式直流电源工作原理图具体说来,

1. 交流输入220V(Urms)首先通过二极管桥堆被整流成直流,全波整流输出电压有效值Uorms=0.9Urms,即198V,这个电压对人体来说,是十分危险的高电压。

2. 该直流电压由PWM集成电路控制开关管(三极管)在1秒内通断70000次,调制成高频(70kHz)电压。

3. 高频电压流入高频变压器初级,次级降压输出低电压交流电(方波形)。

4. 高频低压电经过滤波,通过USB口输出直流5V。

5. 由反馈电路至集成电路芯片调节开关频率,使得直流输出电压保持恒定。

开关电源技术

现在我们明白了为什么现行的手机充电器又小又轻便,原来是变压器轻了。变压器之所以可以做小,是因为它的输入是高频电压。高频怎么来的呢?这里就要说到开关电源技术。

开关电源(switch mode power supply,简称SMPS),顾名思义,有开关动作,它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压。实际上,变压器次级输出是一个近似方波信号,调节方波的占空比就可以调节直流输出电压的大小,如图4所示。

为什么现在的手机充电器又小又轻便

图4 不同占空比得到不同的输出电压

图3中的PWM芯片就是负责输出高频脉冲至开关管(三极管)的集成电路。

相对于开关电源技术,以前老式的直流电源采用的是线性电源技术,需要一个笨重的变压器。

如今,手机充电器、数码相机充电器、台式电脑主机、CNC系统基本上都采用开关电源了,相比线性电源,开关电源有重量轻、体积小、发热量小、安全性好、价格也较低等特点。

现在大家该知道现在的手机充电器之所以这么小,主要是变压器小了,其中采用了开关电源技术。


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