基礎(chǔ)知識(shí)之AC/DC轉(zhuǎn)換器

AC/DC轉(zhuǎn)換器是指將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換成DC（直流電壓）的元件。

為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)換器？

那是因?yàn)榧彝プ≌蜆欠拷邮盏降碾妷菏?00V或200V的AC電壓。 然而大家大部分使用的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。 也就是說(shuō)，如果不把AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，電器就不能工作。 

其中也有電機(jī)、燈泡等可以用交流電壓驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，但電機(jī)與微控制器的控制電路連在一起，燈泡也變成節(jié)能LED，因此有必要進(jìn)行ACDC轉(zhuǎn)換。

可能有人會(huì)認(rèn)為“既然電器使用的是DC，那為什么不一開(kāi)始就傳輸DC？” 總所周知，電力來(lái)自水力發(fā)電站、火力發(fā)電站、核電站等。這些發(fā)電站位于山區(qū)或沿海等地區(qū)，從這些地區(qū)傳輸?shù)绞袇^(qū)，AC電壓更有優(yōu)勢(shì)。 簡(jiǎn)而言之，通過(guò)以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓，可以減少傳輸損耗（能量損耗）。 然而，在實(shí)際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過(guò)幾個(gè)變電站分階段進(jìn)行變壓（降壓），最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進(jìn)入家庭。 這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡(jiǎn)單，所以傳輸?shù)氖茿C電壓。

將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來(lái)進(jìn)行整流。

全波整流是通過(guò)二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。而半波整流是使用一個(gè)二極管來(lái)消除輸入負(fù)電壓成分后整流為直流電壓（脈沖電壓）。 之后，利用電容器的充電和放電功能來(lái)平滑波形，從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。 因此可以說(shuō)，與不利用輸入負(fù)電壓成分的半波整流相比，全波整流是更具高效率的整流方法。 此外，平滑后的紋波電壓根據(jù)電容器容量和負(fù)載（LOAD）而變化。 全波整流和半波整流在相同的電容器容量和負(fù)載條件下，全波整流的紋波電壓更小。紋波電壓越小，穩(wěn)定性越高、性能越優(yōu)。

AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式。本節(jié)介紹變壓器方式。

【變壓器方式的電路結(jié)構(gòu)示例】

下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。 變壓器方法首先需要通過(guò)變壓器將交流電壓降壓到適當(dāng)?shù)慕涣麟妷海ɡ?，從AC100V降至AC10V等）。這屬于AC/AC轉(zhuǎn)換，降壓值由變壓器的繞組比設(shè)定。 接下來(lái)，通過(guò)二極管橋式整流器對(duì)經(jīng)過(guò)變壓器降壓的交流電壓進(jìn)行全波整流，轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。 最后，經(jīng)電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓，這是最傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換方法。

【變壓器方式的波形推移】

AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式。本節(jié)介紹開(kāi)關(guān)方式。

這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)。

【開(kāi)關(guān)方式的電路結(jié)構(gòu)示例】

下圖顯示了開(kāi)關(guān)方式電壓波形的變化。 變壓器方式是首先通過(guò)變壓器進(jìn)行AC/AC降壓，而開(kāi)關(guān)方式是直接用二極管橋式整流器對(duì)交流電壓進(jìn)行整流。由于普通家庭的用電電壓為AC100V或AC200V，所以二極管橋式整流器必須具有可承受高電壓的規(guī)格。 接下來(lái)，用電容器平滑直流電壓（脈沖電壓）。電容器同樣需要耐高壓的電容器。 然后，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件的ON/OFF對(duì)直流電壓進(jìn)行斬波（切割），并經(jīng)過(guò)高頻變壓器降壓后傳送到二次側(cè)。此時(shí)，斬波波形變?yōu)榉讲ā?與家用頻率（50/60Hz）相比，開(kāi)關(guān)元件使用的頻率更高（例如，100kHz）。由于高頻工作，所以可以實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化、輕便化。

【開(kāi)關(guān)方式的波形推移】

在二次側(cè)利用整流二極管對(duì)方波進(jìn)行半波整流，之后用電容器對(duì)其進(jìn)行平滑，并輸出直流電壓。 開(kāi)關(guān)方式是利用控制電路控制開(kāi)關(guān)元件，獲得穩(wěn)定的預(yù)期的直流輸出（例如，DC12V）的方式。 與變壓器方式相比，開(kāi)關(guān)方式由開(kāi)關(guān)元件和控制電路組成，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但由于基于高頻控制可以使用小型變壓器，所以有助于設(shè)備小型化，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)確認(rèn)實(shí)際輸出的DC電壓值，并根據(jù)該電壓信息對(duì)開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，從而確保穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)規(guī)定的DC輸出。這種確認(rèn)該輸出電壓值以控制開(kāi)關(guān)元件的機(jī)制叫做反饋控制（FB控制）。

開(kāi)關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)二極管電橋?qū)C電壓進(jìn)行整流，再通過(guò)電容器實(shí)施平滑處理，將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。然后，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件對(duì)該DC電壓進(jìn)行斬波（ON/OFF）后，通過(guò)高頻變壓器降壓后傳遞到2次側(cè)，再利用電容器進(jìn)行平滑處理，輸出規(guī)定的DC電壓（VDC）。 FB控制電路檢測(cè)實(shí)際輸出的該電壓值是否達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)電壓值。

實(shí)際輸出電壓值低于目標(biāo)電壓值時(shí)，則會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，使ON時(shí)間變長(zhǎng)。這樣，輸出電壓值就會(huì)上升。反之，高于目標(biāo)電壓值時(shí)，則控制ON時(shí)間變短。 這樣，反饋控制電路常時(shí)對(duì)實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行確認(rèn)，并根據(jù)該值調(diào)整開(kāi)關(guān)元件的ON/OFF時(shí)間，確保目標(biāo)輸出電壓值的穩(wěn)定。

提高使用較少輸出電流時(shí)的效率的技術(shù)叫做輕負(fù)載模式。在DC/DC轉(zhuǎn)換器等中也叫脈沖串模式。

開(kāi)關(guān)式AC/DC及DC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)ON/OFF轉(zhuǎn)換進(jìn)行電壓斬波和電容器平滑處理，以穩(wěn)定提供目標(biāo)輸出電壓值。 但是，這種轉(zhuǎn)換在ON/OFF時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間漏電流（貫通電流）。也就是說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)的ON/OFF次數(shù)越多，漏電流導(dǎo)致的損失越大，效率越低。 周期恒定（PWM控制）時(shí)，即使ON/OFF時(shí)間比有變化，其次數(shù)在單位時(shí)間內(nèi)也是恒定的。因此，自身功耗量也是恒定的，輕負(fù)載時(shí)這種轉(zhuǎn)換漏電流造成的損失會(huì)導(dǎo)致效率降低。故此，在使用電流少的情況下，通過(guò)頻率調(diào)制（PFM控制）將周期拉長(zhǎng)、變慢，從而減少單位時(shí)間內(nèi)的ON/OFF轉(zhuǎn)換次數(shù)，以減少損失。這種技術(shù)就叫做輕負(fù)載模式。

根據(jù)狀況區(qū)分使用PWM和PFM可進(jìn)一步提高效率，如高負(fù)載（使用電流）時(shí)使用周期恒定的PWM控制，輕負(fù)載（不使用電流）時(shí)使用周期變化的PFM控制。

PWM <Pulse Width Modulation> （脈寬調(diào)制）：頻率恒定，通過(guò)開(kāi)關(guān)ON從輸入電壓中調(diào)取輸出部分的控制方式。

PFM <Pulse Frequency Modulation>（脈沖頻率調(diào)制）：通過(guò)固定ON時(shí)間、改變頻率（改變OFF時(shí)間）來(lái)調(diào)取輸出部分的方式。反之，也有固定OFF時(shí)間、改變ON時(shí)間的方式。

PFM方式根據(jù)輸出電流量改變頻率，效率較高，但開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)不定期發(fā)生噪音。這種頻率無(wú)法確定的噪音很難消除，要解決噪音，采用頻率恒定的PWM方式更容易操作。 這樣，噪音低的PWM和效率高的PFM可互為補(bǔ)充，高頻率驅(qū)動(dòng)的高負(fù)載（噪音發(fā)生較多）時(shí)采用PWM，電流使用較少的低負(fù)載時(shí)采用PFM，擇優(yōu)使用，即可盡可能提高效率。