采用了开关电源技术，直流电源瞬间变轻

关于电源，我们知道，从发电厂送到工矿企业和家庭的电压统一是交流（AC）三相380V/单相220V，但实际上，现在很多用电器的电源采用直流（DC）安全低电压（36V以下），如手机（cell phone）是DC5V，笔记本电脑（laptop PC）是DC19V，CNC系统是DC24V等等。

因此，电压变换装置（学名电源适配器）必不可少。这里我们通俗称之为直流电源吧！

十多年前的直流电源又大又笨重，是这样子的：

▲ 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。

▲ 新式直流电源

为什么现在的手机充电器又小又轻还不发热? 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。

图1 老式直流电源拆解图

原理也比较简单，交流输入（AC input）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）。

▲ 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）。

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。

图3 新式直流电源工作原理图

具体说来，

1. 交流输入220V（U_rms）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U_orms=0.9U_rms，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。

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。众所周知，PWM是一种节能技术。

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（linear power supply）技术，需要一个笨重的变压器，发热量很大，浪费50~65%的能量。

开关电源铭牌

如图5所示，型号NES-350-24中的数字，350代表此开关电源直流输出功率为350W，24代表直流输出（DC OUTPUT）电压为24V。输出电流为14.6A（24×14.6=350W）。

图5 数控系统常用开关电源

值得注意的是，该开关电源工作于两种输入电压（AC INPUT）：110V和220V，其工作电流是不同的，使用时务必选择（切换）正确的电压输入，否则将损坏开关电源。

开关电源电气符号

开关电源的电气图形应能反映它是一种将交流电变换为直流电的装置。如图6所示，L、N表示交流输入端，V+、V-表示直流输出端。文字符号是PSU（power supply unit），通常将规格（如DC24V，150W）标注其上。

图6 开关电源电气图形及文字符号

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，它是一种革命性的技术。

（文/汤彩萍）

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