AC/DCDC/DC转换器基础指南

Posted 2022-02-05 Zeal.Zhang

首先，我们过一下AC（交流）和DC（直流）的概念。
何谓AC？ 这是Alternating Current（交流）的首字母缩写。
AC是大小和极性（方向）随时间呈周期性变化的电流。电流极性在1秒内的变化次数被称为频率，以Hz为单位表示。

何谓DC？ 这是Direct Current（直流）的首字母缩写。
DC是极性（方向）不随时间变化的电流。
①流动极性（方向）和大小皆不随时间变化的电流通常被称为DC。

②流动极性不随时间变化，但大小随时间变化的电流也是DC，通常被称为纹波电流 (Ripple current)。

一、AC/DC转换器

何谓AC/DC转换器？

AC/DC转换器是指将AC（交流电压）转换成DC（直流电压）的元件。

为什么需要AC/DC转换器？

那是因为家庭住宅和楼房接收到的电压是100V或200V的AC电压。然而大家大部分使用的电器是在5V或3.3V的DC电压下工作的。也就是说，如果不把AC电压转换成DC电压，电器就不能工作。

其中也有电机、灯泡等可以用交流电压驱动的产品，但电机与微控制器的控制电路连在一起，灯泡也变成节能LED，因此有必要进行AC/DC转换。

为什么传输的是AC电压？

可能有人会认为“既然电器使用的是DC，那为什么不一开始就传输DC？”

总所周知，电力来自水力发电站、火力发电站、核电站等。这些发电站位于山区或沿海等地区，从这些地区传输到市区，AC电压更有优势。
简而言之，通过以高电压、低电流方式传输AC电压，可以减少传输损耗（能量损耗）。

然而，在实际家庭中，由于不能直接使用高电压，所以需要通过几个变电站分阶段进行变压（降压），最后转换成100V或200V后进入家庭。这些转换也因AC更简单，所以传输的是AC电压。

全波整流和半波整流（AC/DC转换）

将AC（交流电压）转换为DC（直流电压）的整流方式有全波整流和半波整流。两种情况都利用了二极管的电流正向流通特性来进行整流。

全波整流是通过二极管桥式电路结构将输入电压的负电压成分转换为正电压后整流成直流电压（脉冲电压）。而半波整流是使用一个二极管来消除输入负电压成分后整流为直流电压（脉冲电压）。

之后，利用电容器的充电和放电功能来平滑波形，从而转换为纯净的直流电压。

因此可以说，与不利用输入负电压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，平滑后的纹波电压根据电容器容量和负载（LOAD）而变化。

全波整流和半波整流在相同的电容器容量和负载条件下，全波整流的纹波电压更小。纹波电压越小，稳定性越高、性能越优。

二、AC/DC转换方法

AC/DC转换有变压器方式和开关方式。

变压器方式

这是普通AC/DC转换器的变压器方式电路结构。

【变压器方式的电路结构示例】

下图显示了变压器方式电压波形的变化。

变压器方法首先需要通过变压器将交流电压降压到适当的交流电压（例如，从AC100V降至AC10V等）。这属于AC/AC转换，降压值由变压器的绕组比设定。

接下来，通过二极管桥式整流器对经过变压器降压的交流电压进行全波整流，转换为脉冲电压。

最后，经电容器平滑并输出纹波小的直流电压，这是最传统的AC/DC转换方法。

【变压器方式的波形推移】

开关方式

这是普通AC/DC转换器的开关方式电路结构。

【开关方式的电路结构示例】

下图显示了开关方式电压波形的变化。

变压器方式是首先通过变压器进行AC/AC降压，而开关方式是直接用二极管桥式整流器对交流电压进行整流。由于普通家庭的用电电压为AC100V或AC200V，所以二极管桥式整流器必须具有可承受高电压的规格。

接下来，用电容器平滑直流电压（脉冲电压）。电容器同样需要耐高压的电容器。

然后，通过开关元件的ON/OFF对直流电压进行斩波（切割），并经过高频变压器降压后传送到二次侧。此时，斩波波形变为方波。

与家用频率（50/60Hz）相比，开关元件使用的频率更高（例如，100kHz）。由于高频工作，所以可以实现变压器的小型化、轻便化。

【开关方式的波形推移】

在二次侧利用整流二极管对方波进行半波整流，之后用电容器对其进行平滑，并输出直流电压。

开关方式是利用控制电路控制开关元件，获得稳定的预期的直流输出（例如，DC12V）的方式。

与变压器方式相比，开关方式由开关元件和控制电路组成，电路结构较复杂，但由于基于高频控制可以使用小型变压器，所以有助于设备小型化，这是它的一个很大的优点。

反馈控制

何谓反馈控制？

开关式AC/DC转换器通过确认实际输出的DC电压值，并根据该电压信息对开关元件进行控制，从而确保稳定实现规定的DC输出。这种确认该输出电压值以控制开关元件的机制叫做反馈控制（FB控制）。

【开关方式电路结构示例】

开关式AC/DC转换器通过二极管电桥对AC电压进行整流，再通过电容器实施平滑处理，将AC电压转换为DC电压。然后，通过开关元件对该DC电压进行斩波（ON/OFF）后，通过高频变压器降压后传递到2次侧，再利用电容器进行平滑处理，输出规定的DC电压（VDC）。

FB控制电路检测实际输出的该电压值是否达到规定的目标电压值。

实际输出电压值低于目标电压值时，则会对开关元件进行控制，使ON时间变长。这样，输出电压值就会上升。反之，高于目标电压值时，则控制ON时间变短。

这样，反馈控制电路常时对实际输出电压值进行确认，并根据该值调整开关元件的ON/OFF时间，确保目标输出电压值的稳定。

轻负载模式

何谓轻负载模式？

提高使用较少输出电流时的效率的技术叫做轻负载模式。在DC/DC转换器等中也叫脉冲串模式。

开关式AC/DC及DC/DC转换器通过ON/OFF转换进行电压斩波和电容器平滑处理，以稳定提供目标输出电压值。

但是，这种转换在ON/OFF时会产生瞬间漏电流（贯通电流）。也就是说，单位时间内的ON/OFF次数越多，漏电流导致的损失越大，效率越低。

周期恒定（PWM控制）时，即使ON/OFF时间比有变化，其次数在单位时间内也是恒定的。因此，自身功耗量也是恒定的，轻负载时这种转换漏电流造成的损失会导致效率降低。故此，在使用电流少的情况下，通过频率调制（PFM控制）将周期拉长、变慢，从而减少单位时间内的ON/OFF转换次数，以减少损失。这种技术就叫做轻负载模式。

【PWM方式和 PFM方式】

根据状况区分使用PWM和PFM可进一步提高效率，如高负载（使用电流）时使用周期恒定的PWM控制，轻负载（不使用电流）时使用周期变化的PFM控制。

PWM和PFM简介

■PWM（脉宽调制）：频率恒定，通过开关ON从输入电压中调取输出部分的控制方式。
■PFM（脉冲频率调制）：通过固定ON时间、改变频率（改变OFF时间）来调取输出部分的方式。反之，也有固定OFF时间、改变ON时间的方式。

PFM方式根据输出电流量改变频率，效率较高，但开关时会不定期发生噪音。这种频率无法确定的噪音很难消除，要解决噪音，采用频率恒定的PWM方式更容易操作。

这样，噪音低的PWM和效率高的PFM可互为补充，高频率驱动的高负载（噪音发生较多）时采用PWM，电流使用较少的低负载时采用PFM，择优使用，即可尽可能提高效率。