AC/DC 電源介紹

電源是什么？

電源是將來(lái)自能量源（如供電網(wǎng)）的電流轉(zhuǎn)換為負(fù)載（如電機(jī)或電子設(shè)備）用電所需的電壓和電流值的電氣設(shè)備。

電源的目的是以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳛樨?fù)載供電。因此電流必須以受控的方式（以及準(zhǔn)確的電壓）提供給各式各樣的負(fù)載，有時(shí)還需要同時(shí)提供給所有負(fù)載。在這個(gè)過(guò)程中，輸入電壓或其他連接設(shè)備的變化不能影響其輸出。

電源可以是外部電源，例如筆記本電腦和手機(jī)充電器等設(shè)備的電源；也可以是內(nèi)部電源，例如臺(tái)式計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源。

無(wú)論哪種電源，它們的共同點(diǎn)是從輸入端的能量源獲取電能，并以某種方式對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將能量提供給輸出端的負(fù)載。

輸入和輸出端的電力可以是交流電（AC）或直流電（DC）的形式：

當(dāng)電流沿一個(gè)恒定方向流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生直流電（DC）。它通常來(lái)自電池、太陽(yáng)能電池或AC / DC變換器。直流電是電子設(shè)備的首選電源類型。

電流周期性反轉(zhuǎn)將產(chǎn)生交流電（AC）。通過(guò)電力傳輸線向家庭和企業(yè)供電時(shí)采用交流電。

可以想見(jiàn)，如果交流電是提供給住宅的電源類型，而直流電是用于手機(jī)充電的電源類型，那么您將需要一個(gè)AC/DC電源，以便將來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓來(lái)為手機(jī)電池充電。

了解交流電（AC）

進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，首先需要確定輸入電流。大多數(shù)電網(wǎng)的輸入電壓源都是交流電。

交流電的典型波形為正弦波（見(jiàn)圖1）。`

圖1: 交流電波形及其基本參數(shù)

使用交流電源時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)指標(biāo)：

? 峰值電壓/電流：波形可以達(dá)到的最大振幅值

? 頻率：每秒的波形循環(huán)變化數(shù)量。完成一次循環(huán)變化所需的時(shí)間稱為周期。

? 平均電壓/電流：一個(gè)周期內(nèi)所有電壓點(diǎn)的平均值。在沒(méi)有疊加直流電壓的純交流波形中，該值為零，因?yàn)檎?fù)兩半的值相互抵消。

? 均方根電壓/電流：一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)電壓平方的均方根。在純交流正弦波中，其值可以通過(guò)公式（1）計(jì)算：

? 均方根值也可以定義為產(chǎn)生相同熱效應(yīng)所需的等效直流功率。盡管這個(gè)定義較為復(fù)雜，但通過(guò)它能夠得到交流電壓或電流的有效值，因此該定義已廣泛應(yīng)用于電氣工程領(lǐng)域。有時(shí)它被表示為VAC。

? 相位：兩個(gè)波形之間的角度差。正弦波的一個(gè)完整周期為360°，從0°開(kāi)始，在90°（正峰）和270°（負(fù)峰）處出現(xiàn)峰值，并在180°和360°處與起點(diǎn)有兩次交叉。如果將兩個(gè)波形繪制在一起，在一個(gè)波形達(dá)到其正峰值的同時(shí)，另一個(gè)波形達(dá)到其負(fù)峰值，則第一個(gè)波形峰值位于90°，而第二個(gè)波形峰值位于270°。 這意味著兩個(gè)波形相位差為180°，這種情形稱為反相，因?yàn)樗鼈兊闹凳冀K符號(hào)相反。如果相位差為0°，則稱兩個(gè)波形為同相。

交流電（AC）是電力從發(fā)電設(shè)施傳輸?shù)阶罱K用戶的方式。它被用于電力傳輸，是因?yàn)樵趥鬏斶^(guò)程中電力需要多次轉(zhuǎn)換。

發(fā)電設(shè)施產(chǎn)生的電壓約為40,000V（即40kV），該電壓隨后被升壓到150kV至800kV之間的任意值，以減少長(zhǎng)距離傳輸電流產(chǎn)生的功耗。一旦到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，電壓就會(huì)降低至4kV至35kV之間。最后，在電流到達(dá)各個(gè)用戶之前，電壓會(huì)再降低至120V 120V或240V，具體取決于位置。

對(duì)直流電（DC）而言，實(shí)現(xiàn)所有這些電壓變化要么很復(fù)雜，要么效率低下。線性變壓器是依靠電壓波動(dòng)來(lái)傳遞和轉(zhuǎn)換電能的，所以，它們只能采用交流電（AC）工作。

AC/DC線性電源與開(kāi)關(guān)電源

AC/DC線性電源

AC/DC線性電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

AC/DC線性電源通過(guò)變壓器將交流電（AC）輸入電壓降低到更適合預(yù)期應(yīng)用的值；然后，對(duì)降低的交流（AC）電壓進(jìn)行整流變?yōu)橹绷鳎―C）電壓；最后對(duì)其進(jìn)行濾波以進(jìn)一步改善波形質(zhì)量（圖2）。

圖2: AC/DC線性電源功能框圖

傳統(tǒng)的AC / DC線性電源設(shè)計(jì)多年來(lái)不斷發(fā)展，在效率、功率范圍和尺寸方面都得到很大改善。但這種設(shè)計(jì)存在一些重大缺陷限制了其集成度。

它最大的限制是尺寸。由于AC/DC線性電源的輸入電壓是在輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，因此需要的變壓器體積非常大，也非常重。

在低頻（例如50赫）下，它需要較大的電感值才能將大量功率從初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈，這需要很大的變壓器鐵芯。因此，這類電源的小型化幾乎不可能。

AC / DC線性電源的另一個(gè)限制是大功率的電壓調(diào)節(jié)。

AC / DC線性電源使用線性穩(wěn)壓器來(lái)保持輸出端的電壓恒定。這些線性穩(wěn)壓器以熱量的形式耗散多余的能量。這在低功率下不會(huì)造成太大問(wèn)題，但對(duì)大功率而言，穩(wěn)壓器為了維持恒定的輸出電壓需要耗散的熱量將非常高，這需要添加巨型散熱器。

AC/DC開(kāi)關(guān)電源

為了解決線性或傳統(tǒng)AC / DC電源設(shè)計(jì)相關(guān)的許多問(wèn)題，包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)問(wèn)題，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新的設(shè)計(jì)方法，這就是開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率MOSFET晶體管的出現(xiàn)。這種晶體管即使在大電壓和大電流下也可以非?？焖?、高效地導(dǎo)通或關(guān)斷。

AC / DC開(kāi)關(guān)電源能夠創(chuàng)建效率更高的電源變換器，而無(wú)需消耗額外的功率。

使用開(kāi)關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)的AC / DC電源稱為開(kāi)關(guān)模式電源，它采用一種稍為復(fù)雜的方式將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

在開(kāi)關(guān)交流電源中，輸入電壓不會(huì)被降低，而是在輸入端就對(duì)其進(jìn)行整流和濾波。然后，直流電壓通過(guò)斬波器，由斬波器將電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖序列。最后，通過(guò)另一個(gè)整流器和濾波器將脈沖序列轉(zhuǎn)換回直流（DC）電壓，并清除到達(dá)輸出之前可能存在的任何剩余交流分量（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）。

在高頻下運(yùn)行時(shí)，變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會(huì)達(dá)到飽和，這意味著鐵芯可以越來(lái)越小。因此，AC / DC開(kāi)關(guān)電源中用于將電壓幅度減小到預(yù)期值的變壓器尺寸，可以僅為AC / DC線性電源所需變壓器尺寸的一小部分。

圖3: 開(kāi)關(guān)模式AC/DC電源功能框圖

可以預(yù)料，這種新的設(shè)計(jì)方法也存在一些缺陷。

AC / DC開(kāi)關(guān)電源變換器會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量噪聲，必須對(duì)其進(jìn)行處理以確保噪聲不會(huì)在輸出端出現(xiàn)，這就需要更加復(fù)雜的控制電路，從而增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。好在這些濾波器由易于集成的器件組成，因此不會(huì)對(duì)電源尺寸產(chǎn)生較大影響。

正是因?yàn)锳C / DC開(kāi)關(guān)電源中更小的變壓器和不斷提高的穩(wěn)壓器效率，現(xiàn)在我們才能通過(guò)手掌大小的電源變換器就將220V RMS交流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓。

表1總結(jié)了AC / DC線性電源和開(kāi)關(guān)電源之間的區(qū)別。

表1：線性電源與開(kāi)關(guān)電源的比較

單相電源與三相電源

交流（AC）電源可以是單相或者三相：

三相電源由三個(gè)導(dǎo)體（線）組成，每條線承載的交流電（AC）具有相同的頻率和電壓幅度，但相互之間相位差為120°，即一個(gè)周期的三分之一 （請(qǐng)參見(jiàn)圖4）。這種系統(tǒng)在輸送大量電力方面效率最高，因此可用于將發(fā)電設(shè)施產(chǎn)生的電力輸送到世界各地的家庭和企業(yè)。

單相電源是向單個(gè)家庭或辦公室供電的首選方法，它可以在線路之間平均分配負(fù)載。在這種情況下，電流從電源線流經(jīng)負(fù)載，然后再返回零線。這是除大型工業(yè)或商業(yè)建筑以外大多數(shù)設(shè)施的供電類型。不過(guò)，單相系統(tǒng)無(wú)法將盡可能多的功率傳遞給負(fù)載，而且更容易出現(xiàn)電源故障，但它也允許使用更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備。

圖4: 三相電源交流電波形

三相電源采用兩種配置來(lái)傳輸電力：Δ型和Y型配置，也稱為三角形和星形配置。

這兩種配置之間的主要區(qū)別在于是否能夠添加零線（請(qǐng)參見(jiàn)圖5）。

三角形連接可靠性更高，但星型連接可提供兩種不同的電壓：相電壓（即為家庭供電的單相電壓）和線電壓（用于為更大的負(fù)載供電）。在星型配置中，線電壓（或線電流）是相電壓（或相電流）的√3倍。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)必須同時(shí)向三相和單相系統(tǒng)供電，所以大多數(shù)配電網(wǎng)絡(luò)都具有三線和零線。這樣，用相同的傳輸線可以同時(shí)為住宅和工業(yè)機(jī)械供電。因此，星型配置是最常用的配電配置方式，而三角形配置通常用于為三相負(fù)載（例如大型電機(jī)）供電。

圖5:三相電源的星形和三角形配置

不同地區(qū)的電網(wǎng)為用戶提供的單相電源電壓值可能不同。因此，在購(gòu)買(mǎi)或使用電源之前，需要檢查電源的輸入電壓范圍，以確保其可以在您所在地區(qū)的電網(wǎng)中正常工作，否則將可能損壞電源或與之相連的設(shè)備。

表2比較了全球不同地區(qū)的電網(wǎng)電壓。

*由于19世紀(jì)后期的電氣化革命，日本國(guó)家電網(wǎng)中存在兩種頻率。在關(guān)西城市大阪，電力供應(yīng)商從美國(guó)購(gòu)買(mǎi)了60赫發(fā)電機(jī)；而在關(guān)東的東京，則購(gòu)買(mǎi)了50赫的德國(guó)發(fā)電機(jī)。雙方都拒絕更改頻率，因此直到今天日本供電系統(tǒng)中仍然有兩種頻率：關(guān)東地區(qū)為50赫，關(guān)西地區(qū)為60赫。

如前所述，三相電源不僅用于傳輸，還可以為大型負(fù)載（如電機(jī)或大型電池充電）供電。這是因?yàn)樵谌嘞到y(tǒng)中并行施加電源可以將更多的能量傳輸?shù)截?fù)載，而且三相的重疊可以實(shí)現(xiàn)更均勻的傳輸（請(qǐng)參見(jiàn)圖6）。

圖6：?jiǎn)蜗啵ㄗ螅┖腿啵ㄓ遥┫到y(tǒng)中的電力傳輸

例如，在為電動(dòng)汽車（EV）充電時(shí)，能夠傳遞給電池的電量決定了其充電速度。

單相充電器插入交流（AC）電源，并通過(guò)汽車內(nèi)部的AC / DC電源變換器（也稱為車載充電器）將交流電轉(zhuǎn)換為直流電（DC）。這些充電器的電力受電網(wǎng)和AC插座的限制。

這種限制因國(guó)家和地區(qū)而異，但通常32A插座的功率小于7kW（在歐洲，220 x 32A = 7kW）。而三相電源在外部將電源從交流電轉(zhuǎn)換為直流電，可以將120kW以上的電力傳輸給電池，從而實(shí)現(xiàn)超快速充電。

AC / DC電源無(wú)處不在，其主要工作是將交流電壓（AC）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流（DC）電壓，從而為不同的電氣設(shè)備供電。

交流電用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)中，從發(fā)電設(shè)施到最終用戶的電力傳輸。交流（AC）電路可以配置為單相或三相系統(tǒng)。 單相系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，可以為整個(gè)家庭提供足夠的電力；三相系統(tǒng)能夠以更穩(wěn)定的方式提供更多的電力，因此經(jīng)常用于工業(yè)應(yīng)用的供電。

設(shè)計(jì)高效的AC / DC電源并非易事，因?yàn)槭袌?chǎng)需要能夠在各種負(fù)載條件下均保持高效的大功率微型電源。

AC / DC電源的設(shè)計(jì)方法隨著時(shí)間不斷變遷。AC / DC線性電源受其尺寸和效率的限制，因?yàn)樗ぷ饔诘皖l條件，并通過(guò)熱量的形式耗散多余的能量以此來(lái)調(diào)節(jié)輸出溫度。相比之下，開(kāi)關(guān)電源更加流行，它通過(guò)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，它在更高頻率下工作，其電源轉(zhuǎn)換的效率遠(yuǎn)高于以前的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)掌上大功率AC / DC電源。

審核編輯：湯梓紅