AC交流電壓轉(zhuǎn)換成DC直流電壓的基本方法

為何必需AC/DC轉(zhuǎn)換？讓我先回到原點(diǎn)。

眾所周知，日本的家庭或大樓的主要供電是AC100V或200V然而，大多數(shù)電器通過其中的電子電路操作，幾乎都是利用5V和3.3VDC電壓工作。其中雖然有電機(jī)設(shè)備和白熾燈等，直接以AC電壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，但近電機(jī)和開關(guān)等較為單純的設(shè)備，幾乎無可防止地，都會(huì)配備電子控制電路，且全部的電子控制電路都以DC電壓驅(qū)動(dòng)。此外，市場(chǎng)也逐漸將白熾燈換成LED只是如同大家所知般，LED基本上仍是以DC驅(qū)動(dòng)的也就是說，從送電網(wǎng)傳送過來的AC但因?yàn)橄喈?dāng)于電子產(chǎn)品心臟的電子電路，以DC驅(qū)動(dòng)的因此如果不將AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，將無法啟動(dòng)電子產(chǎn)品”以上是回答。相信大家會(huì)覺得“這樣的話，一開始傳送DC電源不就好了但其實(shí)傳送AC電源，有其歷史背景因素和理由的

各位應(yīng)該知道愛迪生在1881年時(shí)，發(fā)明了裝置白熾燈泡的電燈。其實(shí)在當(dāng)時(shí)的美國(guó)境內(nèi)，以供應(yīng)DC電源適配器為標(biāo)準(zhǔn)，愛迪生為了推廣白熾燈泡，開始投入推行DC110V送電網(wǎng)的事業(yè)。然而，傳送DC電源時(shí)，會(huì)造成電壓大幅度下降，因此傳送范圍無法超越1.5km導(dǎo)致發(fā)電廠必須建造在街道的中。這話現(xiàn)在難以置信。尼古拉?特斯拉考察AC發(fā)電、送電、使用方法，和愛迪生之間開始了電流戰(zhàn)爭(zhēng)。后特斯拉方以能夠輕易變壓，且即使電線又細(xì)又長(zhǎng)，傳送電力時(shí)也不會(huì)造成太大損耗的AC系統(tǒng)獲得勝利，而該結(jié)果也一直延續(xù)到現(xiàn)在

一

A C優(yōu)點(diǎn)

AC電源只要使用變壓器，就能輕松轉(zhuǎn)換電壓（升壓、降壓）

傳送電力時(shí)能堅(jiān)持高電壓/低電流，減輕電壓下降的現(xiàn)象（I2R損耗）

能輕易將AC電源轉(zhuǎn)換成DC電源，易于供應(yīng)電力DC驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

其實(shí)發(fā)電廠送出數(shù)千至2萬VAC高電壓后，傳送到一般住戶前，再通過電線桿上的變壓器，降壓至100V和200V

這是題外話，現(xiàn)階段住宅內(nèi)的插座供應(yīng)AC電源，所以各設(shè)備必需自行裝置AC/DC轉(zhuǎn)換電路才行。對(duì)于該部分，從節(jié)能化和小型化的觀點(diǎn)來看，不得不說多此一舉，近各地測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)和研究的智慧家居構(gòu)想中，也曾考慮從住宅內(nèi)的插座，直接供應(yīng)DC電源適配器的系統(tǒng)。雖然如此，但不代表電力送電網(wǎng)的設(shè)施能急速轉(zhuǎn)變成DC或者不用AC/DC轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)內(nèi)，供應(yīng)DC電源的家庭供電裝置，仍須設(shè)定高功率和效率的大功率AC/DC轉(zhuǎn)換器，以及在附近裝置中功率的AC/DC轉(zhuǎn)換器。

那么，再來談?wù)摿硪粋€(gè)基本知識(shí)。前述內(nèi)容中提到能輕易從AC轉(zhuǎn)變成DC但這屬于“整流”作用，為AC/DC轉(zhuǎn)換的根本，因此必需先了解其架構(gòu)。

圖2為屬于整流基本種類的全波整流，以及半波整流的作用。無論哪方，都是將輸入的AC電壓和二極管相接，抓到負(fù)向波的振幅。半波整流只使用1個(gè)二極管，來抓到負(fù)向波的振幅，因此負(fù)向波消失，只剩下一半的波形，故稱半波。全波整流使用了由4個(gè)二極管組成的橋式二極管，能旋轉(zhuǎn)負(fù)向波，讓它呈現(xiàn)在正向波區(qū)域內(nèi)，而能顯示全波形的就是DC

DC化之后，利用電容器讓波形平滑。但即使波形平滑仍會(huì)殘存紋波（Rippl脈流）其振幅紋波電壓會(huì)因?yàn)殡娙萜鞯娜葜岛拓?fù)載而出現(xiàn)變化。當(dāng)電容器的容值和負(fù)載相同時(shí)，全波整流和半波整流相比，反而是全波整流的紋波電壓會(huì)變小。

作為AC/DC轉(zhuǎn)換的方法之一，也就是裝置變壓器，以變壓器為主的方法。圖3采用變壓器方式的一般構(gòu)造。

此以輸入電壓100VA C為例。通過變壓器，將100VA C降壓（變壓）至可獲得所需DC電壓的AC電壓值。這一部分稱為AC/A C轉(zhuǎn)換。利用調(diào)整變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的線圈，來設(shè)定變壓值（發(fā)生在變壓器二次側(cè)的降壓值）

如果，輸入輸出間必需絕緣時(shí)，可利用變壓器絕緣。

而且，利用二極管橋式整流器將已經(jīng)降壓的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC接著用電容器加以平滑，終轉(zhuǎn)換成紋波較小的DC電壓。整流后的DC電壓是指AC峰值電壓(AC√2減去二極管的正向電壓后的數(shù)值。

當(dāng)不用確保輸出穩(wěn)定時(shí)，就可以將DC電壓作為輸出電壓。電壓的初期值取決于變壓器的匝數(shù)比，負(fù)載電流越增加，電壓越降低。必需確保輸出穩(wěn)定時(shí)，使用穩(wěn)壓器穩(wěn)定電壓。此時(shí)，將變壓器二次側(cè)的電壓，設(shè)定成適合利用穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換的電壓。例如后設(shè)定12VDC整流后的電壓為18VDC就能抑制電壓損耗，不會(huì)因?yàn)楣ぷ鞫兊?，但也不?huì)因此變高。

一

變壓器方式使用部件

使用變壓器方式的AC/DC轉(zhuǎn)換實(shí)際的部件示例。

雖然是轉(zhuǎn)換AC/A C變壓器，但AC頻率為50/60Hz因此必需使用低頻變壓器。設(shè)計(jì)電源用變壓器，稱為電源變壓器或商用頻率用變壓器(商用變壓器)等。請(qǐng)將變壓器的大小（體積）考慮成和電源輸出功率量成正比。身邊常見到例子就是AC適配器，電流容量的越大，也越大越重。變壓器的基本構(gòu)造是指被稱為Core鐵芯和一次及二次的線圈所組成。鐵芯一般以硅鋼片制造而成。

二極管橋式整流器是連接4個(gè)整流用二極管，并一體化封裝。形狀除了照片所示范例外，還有SIP和DIP方形封裝。此外，也可以使用4個(gè)整流二極管組裝成橋式二極管。二極管也有隨容許電流增大尺寸增大的傾向。

至于電容器，基本上使用電解電容器。所需電容值會(huì)因負(fù)載或可容許紋波而變化，但大致上約數(shù)百~數(shù)千μF電源輸出功率愈大，電容器的體積就會(huì)愈大。

發(fā)生一般電子電路電源電壓的電路中，只有變壓器能處置高電壓。其他部件選擇符合所制作dDC電壓的額定值產(chǎn)品。

此變壓器方式是指以往常使用的方式。

開關(guān)方式為一開始先用橋式二極器，整流100VA C變壓器方式，會(huì)先利用變壓器降低AC/A C電壓，但開關(guān)方式卻是直接整流高AC電壓。因此，橋式二極管必需能夠接受高電壓。100VA C峰值約140V左右。

再以電容器使其平滑。這部分同樣使用高電壓規(guī)格品。接著，通過開關(guān)元件ON/OFF斬波(切分)高DC電壓，并經(jīng)由高頻變壓器，將電能傳送至二次側(cè)。此時(shí)的ON/OFF頻率，也就是開關(guān)頻率，使用比輸入AC頻率50/60Hz高出許多的數(shù)十kHz然后再轉(zhuǎn)換成呈現(xiàn)如圖5般方波的AC

利用二次側(cè)的整流二極管，整流該高頻率AC電壓，接著以電容器使其平滑后，再轉(zhuǎn)換成設(shè)定的DC輸出電壓。圖片中省略了高頻率AC電壓的整流波形，但它使用1個(gè)二極管的半波整流，因此請(qǐng)各位參照?qǐng)D2此外，轉(zhuǎn)換成需要的DC電壓時(shí)，必需設(shè)定如圖5般的開關(guān)元件控制電路。此電路構(gòu)造為反激式的范例。反激式留待后述。切分高DC電壓轉(zhuǎn)換成AC之后再通過整流-平滑，轉(zhuǎn)換成低DC電壓的方法，和一般采用開關(guān)方式轉(zhuǎn)換DC/DC相同。此進(jìn)一步細(xì)分采用開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換的過程，就是先從DC開關(guān)成AC后，再開關(guān)至DC另外，使用3引腳的線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換DC/DC時(shí)，就只是單純將DC轉(zhuǎn)換成DC而已。

一

整流-平滑后以開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換原理

先說明整流AC后再轉(zhuǎn)換成DC原理，并在之后約略解說一下采用開關(guān)方式轉(zhuǎn)換DC/DC原理。

圖6利用代表性的控制方式PWMPulsWidthModulation:脈沖寬度調(diào)制)方式加以降壓的原理。PWM指讓周期(頻率)堅(jiān)持恒定，調(diào)整ON和OFF時(shí)間比，也就是占空比來進(jìn)行控制的方法，能運(yùn)用在多種應(yīng)用上。采用PWM時(shí)，經(jīng)由開關(guān)將DC電壓轉(zhuǎn)換成達(dá)到必要占空比的AC后，接著再進(jìn)行整流回到DC以取得想要的DC電壓。例如經(jīng)由開關(guān)將100VDC轉(zhuǎn)換成周期25%ON剩下OFF25:75AC接著，整流-平滑該AC也即將其均勻化后轉(zhuǎn)換成DC電壓就會(huì)轉(zhuǎn)換成相當(dāng)于25%25VDC事實(shí)上，DC/DC轉(zhuǎn)換屬于功率轉(zhuǎn)換，必需提升轉(zhuǎn)換效率，雖然不用如圖片般配置，但仍須遵照其原理。此外，負(fù)載電流如果增加，電壓就會(huì)下降，反之，必需增加控制電路的脈沖寬度，并將電壓返回到設(shè)定值，進(jìn)行反饋控制，因此脈沖寬度無法堅(jiān)持恒定。

總而言之，AC/DC轉(zhuǎn)換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑后，轉(zhuǎn)換成DC再將該DC轉(zhuǎn)換成高頻率的AC接著重復(fù)整流-平滑方法，轉(zhuǎn)換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比，必需重復(fù)AC/DC轉(zhuǎn)換2次，讓人覺得非常復(fù)雜。確是有些復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，因此近年來采用開關(guān)方式的AC/DC轉(zhuǎn)換器日漸增加。至于有哪些優(yōu)點(diǎn)則留待后述。

一

開關(guān)方式使用部件和安裝例

是采用開關(guān)方式的AC/DC轉(zhuǎn)換所必需部件和電路裝置例?；緲?gòu)造和圖5相同，將輸出電壓反饋至PWM控制電路上，借此穩(wěn)定控制。

部件和前述的變壓器方式相似，但橋式二極管、一次側(cè)的電解電容器、開關(guān)元件(晶體管)全部采用可支持高電壓的規(guī)格品。

必需以數(shù)十kHz高頻率才能工作的變壓器，稱為高頻變壓器或開關(guān)式變壓器。開關(guān)式變壓器的鐵芯，一般都是使用鐵氧體。開關(guān)元件基本上使用晶體管。有功率晶體管或開關(guān)晶體管等多種名稱，但則以開關(guān)電源用的高功率MOSFET為普遍。開關(guān)晶體管必需配合輸出功率選擇適合的規(guī)格，但當(dāng)輸出功率不太時(shí)，就能夠使用內(nèi)置開關(guān)晶體管的控制IC減少部件數(shù)量。

至于穩(wěn)定輸出電壓的控制電路，可以使用晶體管和運(yùn)算放大器等單獨(dú)的元件組成電路。近除了正確、穩(wěn)定控制外，也開始提供各種維護(hù)功能，因此愈來愈多裝置采用AC/DC轉(zhuǎn)換用IC特別是電路基板上安裝AC/DC電源時(shí)，設(shè)計(jì)電路上以AC/DC轉(zhuǎn)換器用IC為中心會(huì)較為實(shí)際。另外，該電路的控制IC裝置在基板反面下方正中央旁邊。雖然SOP8非常小的封裝，但除了控制功能外，還具備了多種保護(hù)功能。

前文已針對(duì)采用變壓器方式和開關(guān)方式AC/DC轉(zhuǎn)換，概略說明一下工作狀況和電路，此則是比擬兩者，并整理各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

如果比擬電路構(gòu)造，會(huì)發(fā)現(xiàn)因轉(zhuǎn)換方式不同，構(gòu)造有些差別，但仍以采用開關(guān)方式的電路較為復(fù)雜。此外，開關(guān)方式必需使用控制電路（基本上使用IC

兩者使用部件非常類似，但開關(guān)方式大多為高耐壓部件。部件的規(guī)格也會(huì)影響到制造本錢。

不過，兩者大差異在于效率，而體積/重量也是開關(guān)方式較占優(yōu)勢(shì)。

舉例來說，近特別是便攜設(shè)備的充電用AC適配器變得既小又輕？圖11?？吹紸C適配器，但左邊采用變壓器方式，右邊則是開關(guān)方式。兩者規(guī)格相互比擬之下，右邊明顯偏小，但輸出卻可達(dá)1W以上，反而較大。

對(duì)此，開關(guān)方式是將先將AC輸入（50/60HzDC化再轉(zhuǎn)換成高頻的AC因此能使用較小的變壓器和輸出電容器，大幅度縮小外形尺寸。基本工作方式和先前說明的開關(guān)方式為將AC輸入整流-平滑后，其余方法則和DC/DC轉(zhuǎn)換器相同”完全一樣。效率方面的情況也是如此，采用開關(guān)方式時(shí)，由于只須扣除必要的功率，因此能提升效率，如此一來自然可以抑制發(fā)熱。

至于設(shè)計(jì)，必需配合效率、尺寸和成本，但如果能先理解方式不同造成的差別，以及各方式的優(yōu)缺點(diǎn)，就可以選出優(yōu)化的方式。近年來，AC適配器面臨到待機(jī)功率的問題，但只要采用開關(guān)方式，就有望順利解決該問題。

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