AC/DC 基础知识 —— AC/DC 的基础

时间:2019-02-18 17:00来源:21Dianyuan

摘要:ACDC基础知识系列一

1. AC/DC 的基础
在此将说明AC(交流)电压转换成DC(直流)电压的基本方法,变压器方式和开关方式。此外,也将进行变压器方式和开关方式的比较探讨总述。

首先,“为何必须AC/DC转换?”让我们先回到原点。
 
 
图1
 
众所周知,日本的家庭或大楼的主要供电是AC的100V或200V。然而,大多数电器通过其中的电子电路操作,几乎都是利用5V和3.3V的DC电压工作。其中虽然有电机设备和白炽灯炮等,直接以AC电压驱动的设备,但最近电机和开关等较为单纯的设备,几乎无可避免地,都会配备电子控制电路,且全部的电子控制电路都以DC电压驱动。此外,市场也逐渐将白炽灯炮换成LED,只是如同大家所知般,LED基本上仍是以DC驱动的。也就是说,“从送电网传送过来的是AC,但因为相当于电子产品心脏的电子电路,是以DC驱动的,因此如果不将AC电压转换成DC电压,将无法启动电子产品”。以上是回答。相信大家会觉得“这样的话,一开始传送DC电源不就好了?”,但其实传送AC电源,是有其历史背景因素和理由的。
 
各位应该知道爱迪生在1881年时,发明了安装白炽灯泡的电灯。其实在当时的美国境内,是以供应DC电源为标准,爱迪生为了推广白炽灯泡,开始投入推行DC 110V送电网的事业。然而,传送DC电源时,会造成电压大幅度下降,因此传送范围无法超过1.5km,导致发电厂必须建造在街道的中。这话现在难以置信。尼古拉•特斯拉考察AC的发电、送电、使用方法,和爱迪生之间开始了电流战争。最后特斯拉方以能够轻易变压,且即使电线又细又长,传送电力时也不会造成太大损耗的AC系统获得胜利,而该结果也一直延续到现在。
 
AC 的优点
• AC电源只要使用变压器,就能轻松转换电压(升压、降压)。
• 传送电力时能保持高电压/低电流,减轻电压下降的现象(I2R损耗)。
• 能轻易将AC电源转换成DC电源,易于供应电力DC驱动设备。
 
其实发电厂送出数千至2万V的AC高电压后,在传送到一般住户前,再通过电线杆上的变压器,降压至100V和200V。
 
这是题外话,现阶段住宅内的插座供应AC电源,所以各设备必须自行安装AC/DC转换电路才行。对于该部分,从节能化和小型化的观点来看,不得不说多此一举,在最近各地测试运转和研究的智慧家居构想中,也曾考虑从住宅内的插座,直接供应DC电源的系统。虽然如此,但不代表电力送电网的设施能急速转变成DC,或者不必AC/DC转换。在该系统内,供应DC电源的家庭供电装置,仍须设定高功率和效率的大功率AC/DC转换器,以及在附近安装中功率的AC/DC转换器。
 
那么,再来谈论另一个基本知识。在前述内容中提到“能轻易从AC转变成DC”,但这属于“整流”作用,为AC/DC转换的根本,因此必须先了解其架构。
 
 
图2
 
图2为属于整流基本种类的全波整流,以及半波整流的作用。无论哪方,都是将输入的AC电压和二极管相接,抓到负向波的振幅。半波整流只使用1个二极管,来抓到负向波的振幅,因此负向波消失,只剩下一半的波形,故称半波。全波整流使用了由4个二极管组成的桥式二极管,能旋转负向波,让它出现在正向波区域内,而能显示全波形的就是DC。
 
DC化之后,利用电容器让波形平滑。但即使波形平滑仍会残存纹波(Ripple:脉流),其振幅纹波电压会因为电容器的容值和负载而出现变化。当电容器的容值和负载相同时,全波整流和半波整流相比,反而是全波整流的纹波电压会变小。
 
关键要点
▪ 从电子电路来看,AC/DC转换是DC电源的根本,因此必须先掌握住基础理论。


2. 变压器方式
作为AC/DC转换的方法之一,也就是安装变压器,以变压器为主的方法。图3是采用变压器方式的一般构造。
 
在此以输入电压100VAC为例。通过变压器,将100VAC降压(变压)至可获得所需DC电压的AC电压值。这一部分称为AC/AC转换。利用调整变压器一次侧和二次侧的线圈,来设定变压值(发生在变压器二次侧的降压值)。
 
 
图 3:变压器方式的 AC/DC 转换
 
如果,输入输出间必需绝缘时,可利用变压器绝缘。
 
而且,利用二极管桥式整流器将已经降压的AC电压转换成DC,接着用电容器加以平滑,最终转换成纹波较小的DC电压。整流后的DC电压是指AC的峰值电压(AC×√2)减去二极管的正向电压后的数值。
 
当不必确保输出稳定时,就可以将DC电压作为输出电压。电压的初期值取决于变压器的匝数比,负载电流越增加,电压越降低。必须确保输出稳定时,使用稳压器稳定电压。此时,将变压器二次侧的电压,设定成适合利用稳压器转换的电压。例如最后设定
12VDC,整流后的电压为18VDC,就能抑制电压损耗,不会因为工作而变低,但也不会因此变高。
 
1)变压器方式使用部件
使用变压器方式的AC/DC转换实际的部件示例。
 
 
图4:变压器方式的AC/DC转换使用部件例
由左至右分别是变压器、二极管桥式整流器、电解电容器
 
虽然是转换AC/AC的变压器,但AC的频率为50/60Hz,因此必须使用低频变压器。设计电源用变压器,称为电源变压器或商用频率用变压器(商用变压器)等。请将变压器的大小(体积)考虑成和电源输出功率量成正比。我们身边最常见到的例子就是AC适配器,电流容量的越大,也越大越重。变压器的基本构造是指被称为Core的铁芯和一次及二次的线圈所组成。铁芯一般以硅钢片制造而成。
 
二极管桥式整流器是连接4个整流用二极管,并一体化封装。形状除了照片所示范例外,还有SIP和DIP的方形封装。此外,也可以使用4个整流二极管组装成桥式二极管。二极管也有随容许电流增大尺寸增大的倾向。
 
至于电容器,基本上使用电解电容器。所需电容值会因负载或可容许纹波而变化,但大致上约数百~数千μF。电源输出功率愈大,电容器的体积就会愈大。
 
在产生一般电子电路电源电压的电路中,只有变压器能处理高电压。其他部件选择符合所制作dDC电压的额定值产品。
 
此变压器方式是指以往最常使用的方式。
 
关键要点
▪ AC/DC转换是基础中的基础。
▪ 转换后尚未稳定的DC电压,以取出负载就会下降为前提进入下一個设计阶段。


3. 所谓开关方式
使用开关元件的AC/DC转换方式如图5所示。
 
开关方式为一开始先用桥式二极器,整流100VAC。变压器方式,会先利用变压器降低AC/AC电压,但开关方式却是直接整流高AC电压。因此,桥式二极管必须能够承受高电压。100VAC的峰值约140V左右。
 
再以电容器使其平滑。这部分同样使用高电压规格品。
 
接着,通过开关元件ON/OFF斩波(切分)高DC电压,并经由高频变压器,将电能传送至二次侧。

此时的ON/OFF频率,也就是开关频率,使用比输入AC频率50/60Hz高出许多的数十kHz,然后再转换成呈现如图5般方波的AC。
 
 
图 5:开关方式的 AC/DC转换
 
利用二次侧的整流二极管,整流该高频率AC电压,接着以电容器使其平滑后,再转换成设定的DC输出电压。图片中省略了高频率AC电压的整流波形,但它是使用1个二极管的半波整流,因此请各位参照图2。 此外,转换成需要的DC电压时,必须设定如图5般的开关元件控制电路。(此电路构造为反激式的范例。反激式留待后述。)
 
切分高DC电压转换成AC,之后再通过整流-平滑,转换成低DC电压的方法,和一般采用开关方式转换DC/DC相同。此进一步细分采用开关DC/DC转换的过程,就是先从DC开关成AC后,再开关至DC。另外,使用3引脚的线性稳压器转换DC/DC时,就只是单纯将DC转换成DC而已。
 
1)整流-平滑后以开关DC/DC转换原理
先说明整流AC后再转换成DC的原理,并在之后约略解说一下采用开关方式转换DC/DC的原理。
 
 
图6:以PWM为例,开关方式DC/DC转换的原理
 
图6是利用代表性的控制方式PWM(Pulse Width Modulation:脉冲宽度调制)方式加以降压的原理。PWM是指让周期(频率)保持恒定,调整ON和OFF的时间比,也就是占空比来进行控制的方法,能运用在多种应用上。采用PWM时,经由开关将DC电压转换成达到必要占空比的AC后,接着再进行整流回到DC,以取得想要的DC电压。例如经由开关将100VDC转换成周期25%ON、剩下OFF的25:75的AC。接着,整流-平滑该AC,也即将其均匀化后转换成DC,电压就会转换成相当于25%的25VDC。事实上,DC/DC转换属于功率转换,必须提升转换效率,虽然不必如图片般配置,但仍须遵照其原理。此外,负载电流如果增加,电压就会下降,反之,必须增加控制电路的脉冲宽度,并将电压返回到设定值,进行反馈控制,因此脉冲宽度无法保持恒定。
 
总而言的,AC/DC转换是直接将输入的AC电压整流-平滑后,转换成DC,再将该DC转换成高频率的AC,接着重复整流-平滑步骤,转换成想要的DC电压。和前述的变压器方式相比,必须重复AC/DC转换2次,让人觉得非常复杂。的确是有些复杂,但优点大于缺点,因此近年来采用开关方式的AC/DC转换器日渐增加。至于有哪些优点则留待后述。
 
2)开关方式使用部件和安装例
图7的照片是采用开关方式的AC/DC转换所必须部件和电路安装例。基本构造和图5相同,将输出电压反馈至PWM控制电路上,借此稳定控制。
 
 
图7:PWM开关方式 AC/DC转换器的部件和安装例
 
部件和前述的变压器方式相似,但桥式二极管、一次侧的电解电容器、开关元件(晶体管),全部采用可支持高电压的规格品。
 
必须以数十kHz的高频率才能工作的变压器,我们称为高频变压器或开关式变压器。开关式变压器的铁芯,一般都是使用铁氧体。
 
开关元件基本上使用晶体管。有功率晶体管或开关晶体管等多种名称,但则以开关电源用的高功率MOSFET最为普遍。开关晶体管必须配合输出功率选择适合的规格,但当输出功率不太时,就能够使用内置开关晶体管的控制IC,减少部件数量。
 
至于稳定输出电压的控制电路,可以使用晶体管和运算放大器等单独的元件组成电路。最近除了正确、稳定控制外,也开始提供各种保护功能,因此愈来愈多装置采用AC/DC转换用IC。特别是在电路基板上安装AC/DC电源时,设计电路上以AC/DC转换器用IC为中心会较为实际。另外,该电路的控制IC是安装在基板背面下方正中央旁边。虽然SOP8是非常小的封装,但除了控制功能外,还具备了多种保护功能。
 
关键要点
▪ 比变压器方式复杂许多,但为近年的主流。
▪ 利用控制IC,能简化设计。

 
4.  变压器方式和开关方式的比较
前文已针对采用变压器方式和开关方式AC/DC转换,概略说明一下工作状况和电路,在此则是比较两者,并整理各自的优缺点。
 
 
图 8:变压器方式AC/DC转换
 
 
图 9:开关方式AC/DC转换
 
 
图 10:变压器方式和开关方式的比较
 
如果比较电路构造,会发现因转换方式不同,构造有些差异,但仍以采用开关方式的电路较为复杂。此外,开关方式必须使用控制电路(基本上使用IC)。
 
两者使用部件非常类似,但开关方式大多为高耐压部件。部件的规格也会影响到制造成本。
不过,两者最大差异在于效率,而体积/重量也是开关方式较占优势。
 
举例来说,最近特别是便携设备的充电用AC适配器变得既小又轻?图11是常看到的AC适配器,但左边采用变压器方式,右边则是开关方式。两者规格相互比较之下,右边明显偏小,但输出却可达1W以上,反而较大。
 
 
图 11
 
对此,开关方式是将先将AC输入(50/60Hz)DC化再转换成高频的AC,因此能使用较小的变压器和输出电容器,大幅度缩小外形尺寸。基本工作方式和先前说明的“开关方式为将AC输入整流-平滑后,其余步骤则和DC/DC转换器相同”完全一样。效率方面的情况也是如此,采用开关方式时,由于只须扣除必要的功率,因此能提升效率,如此一来自然可以抑制发热。
 
至于设计,必须配合效率、尺寸和成本,但如果能先理解方式不同造成的差异,以及各方式的优缺点,就可以选出优化的方式。近年来,AC适配器面临到待机功率的问题,但只要采用开关方式,就有望顺利解决该问题。
 
关键要点
▪ 现阶段以开关方式为主流,但必须先彻底了解开关方式特有的问题才行。


下一章:AC/DC 基础知识 —— 平滑后的 DC/DC 转换 (稳定化) 方式

自:罗姆半导体集团 ROHM Semiconductor TechWeb

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