为什么旅游充电器能把不同电压都转为 5v？

天狼晓月

作者：伤痕的天空
著作权归作者所有。

愚蠢的地球人要给手机充电。
其实这个过程和“把大象装进冰箱”有异曲同工之妙——地球人需要把家用220V交流电降压成低压（低压的数值根据最终需要的电压而定）的交流电，然后把交流电整流成直流电，最后用电容把直流电里剩下的交流分量去掉。这样，他们就得到了可以把手机接上去的5V直流电。
以上三步，在电气汪的黑话里，被称为“变压、整流、滤波”。
但是地球人很惆怅。
问题出在变压器上。整流无非就是四个二极管，滤波无非是个大电容。但是变压器是个大家伙。如果在手机充电器里弄个变压器来降压，那指望把充电器揣口袋陪着学生跑步是没啥指望了。拎手上练练麒麟臂吧。
地球人不想过这么蒸汽朋克的生活。
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于是地球人点出了第一个异端——【面积等效原理】。

面积等效原理：
u-t图上面积相同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

看不懂是吧，没关系。不认识字我们可以看图。
这是四个脉冲，他们的形状不太一样。但是他们的面积是相同的。我们把他们加在下面图A的电源侧，图B是电路的暂态过程。

几乎完全一样。（以上两张图引自电子发烧友网站）
这说明，如果电源是一个奇奇怪怪的波形，我们可以把它在时间上分成很多小段。每一段的波形都可以用一个同面积的方波脉冲来替代。这样的替代，并不会改变输出波形。
什么，又看不懂了？那继续上图。

图A是我们要模拟的电源波形。我们把它按时间均分，每个时间段内的波形都用B图中面积相等，高度相同的脉冲来替代。
因为面积（冲量）相等，高度（电压）相同，所以下面的脉冲只有脉冲的宽度是变化的。我们只要调制下面的脉宽，就可以得到所有波形。时间段分的越细碎，模拟的效果越好。
（上图来自网络，侵删。）
我们如何实现图B的输出波形呢？继续上图。

上面这张图就是B波形的原理图，在有脉冲的时候，我们闭合开关，电阻两端电压为U，没有脉冲的时候，开关断开，电阻两端电压为零。我们通过通断开关调制了B波形，B波形对于惯性环节的响应和A波形一样。
于是地球人点出了第二个异端——【脉宽调制技术】。
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现在我们可以干掉蒸汽朋克版手机充电器里的变压器了。
我们通过把家用220V的交流电通过全波整流，变成带有交流分量的直流电。用电容滤掉交流分量后，得到一个稳定的高压直流电压，也就是上图里的左边的电源。然后通过控制开关的通断，得到一个和5V直流电的效果完全相同的高频脉冲电压。
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但是我们的电网电压并不是恒定的220V，它允许一定范围的波动。
简单的说，在一定的范围内，不管输入电压是多少，我们都得输出5V的直流电。
地球人用了【反馈】。
反馈不是新技术，18世纪中叶就开始应用了，瓦特在他改良的蒸汽机上点出了这项技能。
瓦特的蒸汽机如果转速过快，其中离心式调速器就会飞速旋转，离心力使得摆球上升拉动连杆，减少蒸汽阀门的开度，蒸汽进量减少，蒸汽机转速下降。如果转速过慢，下垂的摆球拉动连杆打开蒸汽阀门，增加蒸汽量，蒸汽机转速上升。
于是瓦特蒸汽机可以稳定在一个转速上。
我们的充电器也是差不多的。如果外接的电源电压上升，反馈电路会减少开关的开通时间，保证脉冲的面积不变。
只要脉冲的面积不变，输出电压就是稳定的。
不过，开关的通断转换是需要时间的，所以脉宽不可能无限短，外接电源如果过大，那就控制不住了。如果外接电源太低，即使脉宽很大也控制不住。
反馈控制的范围，就是输入电压的范围。
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//监考前update一下，欲详细了解可继续阅读。以下内容为分析手机充电器电路。电路毫无基础者请自行退散。
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评论里有两个问题。健哥 @江东俊彦 问反馈的闭环如何实现。还有说我没答如何稳定在5V的。心好累。
随手画了张电路图。

从左上角看，左上角接入220V民用电，经过D1和C1的半波整流滤波后变成直流电。
R1是个10Ω的小电阻，它在此电路中作用类似于保险丝。一旦后级故障导致电流过大，他就会舍己为人的发热烧毁，以此断开电路保护后级。
经过简单处理的直流电，我们用510kΩ取出开关管MEJ13003的基极电流。这个开关管可以控制原边绕组的不断通断产生交变磁场。副边通过变压器，从中吸取能量。副边的交变电流再次整流滤波（RF93，C5），供应给负载。当开关管关断时，原边电流截止。如果不加由C2，R3和二极管构成的通路，原边将感应出高电压损坏电路。
最下方的R5和C3，构成正反馈支路，从变压器上取样绕组中取样电压加在开关管基极上，维持震荡。C4和稳压管共同将一个6V左右的电压加在开关管的基极。
当开关管接通，电流流过原边，线圈充能。电流从开始的0不断增加，同时，R4的电压也随之升高。当电流达到0.14A时，电阻R4两端电压达到1.4V，C945导通，MEJ13003的基极电位为0，开关管关断。由于电路是反激式的，所以副边吸收能量。一个周期结束。
//这种充电器设计已经是烂大街的了呃，好一点的有光耦的，此处不展开了。

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关键词：
面积等效原理、脉宽调制技术、反馈控制
参考资料：
陈坚 《电力电子学：电力电子变换和控制技术》
王兆安 《电力电子技术》
胡寿松 《自动控制原理》