什么是 AC-DC 轉(zhuǎn)換器

電力在電線上傳輸?shù)姆绞接袃煞N：一種是直流電 (DC)，以非振蕩恒定電壓單向流動(dòng)；另一種是交流電 (AC)，由于振蕩電壓而來回流動(dòng)。交流電是傳輸電力的主要方式，因?yàn)樗戎绷麟娋哂卸喾N優(yōu)勢，包括較低的配電成本，以及由于變壓器的發(fā)明，電壓等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換方式更簡單。

交流電以高壓遠(yuǎn)距離傳輸，然后轉(zhuǎn)換為低壓，是家庭中更高效、更安全的電源。根據(jù)位置不同，高壓范圍從 4kV（千伏）到 765kV。提醒一下，家庭交流電源范圍從 110V 到 250V，具體取決于您居住在世界的哪個(gè)地方。在美國，典型的交流主線電壓為 120V。

AC-DC 轉(zhuǎn)換器將交流電（其電壓也交替變化）引導(dǎo)至電感器 (L) 和電容器 (C) 等無功阻抗元件，并將其存儲(chǔ)和集成。此過程將與正電位和負(fù)電位相關(guān)的功率分離。

濾波器用于平滑存儲(chǔ)的能量，從而為其他電路創(chuàng)建直流電源。這種電路可以采用多種形式，但始終包含相同的基本元件，并且可能具有一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換階段。

圖 1 中所示的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器稱為“正向轉(zhuǎn)換器”，其效率比稍微簡單一些的架構(gòu)“反激式轉(zhuǎn)換器”更高。

雖然沒有詳細(xì)討論，但反激式轉(zhuǎn)換器與正向式轉(zhuǎn)換器的不同之處在于，其操作取決于電路中變壓器氣隙中存儲(chǔ)的能量。除了這一差異外，它們可以使用相同的基本模塊。

交流-直流轉(zhuǎn)換器圖 1：功能框圖

圖 1：正向轉(zhuǎn)換器 AC/DC 電源功能框圖

輸入過濾塊

輸入濾波器很重要，因?yàn)樗梢苑乐闺娫撮_關(guān)元件產(chǎn)生的噪聲返回到主電源。它還可以防止主電源上的噪聲進(jìn)入后續(xù)電路。濾波器通過 50/60Hz 主頻率，并衰減可能存在的高頻噪聲和諧波。

與 AC-DC 轉(zhuǎn)換器的其他部件一樣，電容器和電感器等電抗元件發(fā)揮著頻率選擇性抑制的重要作用。電容器不通過直流，可以串聯(lián)使用（作為直流阻斷“高通濾波器”元件），也可以并聯(lián)使用（將高頻分流到地面，防止它們進(jìn)入轉(zhuǎn)換器）。

輸入濾波塊通常還包括一個(gè)壓敏電阻或變阻器，以防止電網(wǎng)上的高壓尖峰損壞電源。這是圖 1 中輸入端帶有對(duì)角線的矩形框。常見的變阻器類型是金屬氧化物變阻器 (MOV)。任何超過設(shè)備“鉗位電壓”的電壓都會(huì)導(dǎo)致 MOV 導(dǎo)電，分流高壓尖峰并抑制浪涌。

整改

簡單的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器由輸入濾波后的變壓器組成，然后將其傳遞到整流器以產(chǎn)生直流電。在這種情況下，整流發(fā)生在變壓器之后，因?yàn)樽儔浩鞑粋鬟f直流電。然而，許多 AC/DC 轉(zhuǎn)換器使用更復(fù)雜的多級(jí)轉(zhuǎn)換拓?fù)洌ㄈ鐖D 1 所示），因?yàn)樗哂凶儔浩饕蟾『突貍鞯街麟娫吹脑肼暩偷膬?yōu)勢。

整流器使用半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)，這些器件有條件地只在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流，例如二極管。更復(fù)雜的半導(dǎo)體整流器包括晶閘管?？煽毓枵髌?(SCR) 和交流三極管 (TRIAC) 類似于繼電器，因?yàn)樯倭侩妷嚎梢钥刂戚^大電壓和電流的流動(dòng)。

這些器件的工作方式是，只有當(dāng)控制“門”被輸入信號(hào)觸發(fā)時(shí)，它們才會(huì)導(dǎo)通。通過在交流波形流動(dòng)時(shí)在正確的時(shí)間打開或關(guān)閉器件，電流被引導(dǎo)以產(chǎn)生直流分離。有許多電路可以做到這一點(diǎn)，從交流波形中抽取的信號(hào)用作控制信號(hào)，設(shè)置晶閘管打開或關(guān)閉的相位象限。這就是換向，可以是自然的（就簡單的二極管而言），也可以是強(qiáng)制的（就更復(fù)雜的器件而言）。

高效電源可以使用 MOSFET 等有源器件作為此類電路中的開關(guān)。使用更復(fù)雜的拓?fù)涞脑蛲ǔＪ菫榱颂岣咝?、降低噪音或充?dāng)電源控制。

二極管在導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生固有電壓降。這會(huì)導(dǎo)致功率在二極管中耗散，但其他有源元件的電壓降可能低得多，因此功率損耗也較低。SCR 和 TRIAC 電路在低成本電源控制電路中特別常見，例如下面的調(diào)光器示例 - 用于在輸入電源交替時(shí)直接控制和控制輸送到負(fù)載的電流。

請注意，當(dāng)電路中沒有變壓器時(shí)，這些實(shí)現(xiàn)不是電流性的——只在適當(dāng)?shù)碾娐分杏杏?，例如直接連接電源的燈光控制。它們還用于高功率工業(yè)和軍用電源，在這些電源中簡單性和堅(jiān)固性至關(guān)重要

圖 2：基于 SCR 的轉(zhuǎn)換

功率因數(shù)校正 (PFC)

這是轉(zhuǎn)換器難理解的方面。PFC 是提高轉(zhuǎn)換器效率的重要元素，它通過校正電流與電壓波形的相對(duì)相位來保持功率因數(shù)。它降低了轉(zhuǎn)換器可能呈現(xiàn)給主電源的“無功負(fù)載”特性。

這對(duì)于維持高質(zhì)量、高效的電網(wǎng)至關(guān)重要，電力供應(yīng)公司甚至可以對(duì)功率因數(shù)較差的客戶征收特殊的無功電流費(fèi)率。無源或有源 PFC 是指使用有源元件還是無源元件來校正相位關(guān)系。

半導(dǎo)體 PFC 可以指帶有集成控制器的專用 IC，專門用于主動(dòng)監(jiān)控和調(diào)整 PFC 電路，從而減少元件數(shù)量并簡化整體設(shè)計(jì)，同時(shí)獲得更高的性能。它們可以整合其他功能，例如過壓/欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、軟啟動(dòng)和故障檢測/響應(yīng)。

圖 1 所示的轉(zhuǎn)換器是單級(jí) PFC 轉(zhuǎn)換器。本節(jié)中的電容器用于存儲(chǔ)該級(jí)脈動(dòng)輸入功率和相對(duì)恒定輸出功率之間的不平衡能量。有關(guān)此內(nèi)容的更多詳細(xì)信息，請參閱“無功能量存儲(chǔ)”部分。兩級(jí) PFC 轉(zhuǎn)換器通常被使用，因?yàn)樗鼈儾槐靥幚硗ㄓ秒娫粗写鎯?chǔ)電容器上的寬電壓范圍，這會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。它們還可以在電容器尺寸方面提供更好的權(quán)衡，這有助于降低成本。

AC-DC 轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

功率級(jí)控制通過變壓器從初級(jí)側(cè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)的功率。它由一個(gè)有源開關(guān)裝置組成，該裝置以高達(dá)數(shù)百 kHz 的高頻進(jìn)行切換。開關(guān)的開/關(guān)狀態(tài)由脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 輸入控制，該輸入會(huì)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)傳輸?shù)截?fù)載的功率量而變化。

該信息由次級(jí)側(cè)的反饋路徑獲得，該反饋路徑可通過多種技術(shù)進(jìn)行通信，以滿足轉(zhuǎn)換器的隔離要求。更高的開關(guān)頻率可減少變壓器需求，從而降低尺寸和成本。

變壓器

變壓器由繞在公共磁芯上的導(dǎo)線組成，這些導(dǎo)線通過電磁感應(yīng)相互耦合。這在連接到高壓（主電源）電源時(shí)非常重要——這被稱為“離線”轉(zhuǎn)換，因?yàn)殡姼旭詈蠒?huì)將主電源與后續(xù)電路斷開，這比直接連接要安全得多。

通過電磁場而不是直接銅電路進(jìn)行耦合，稱為“電流隔離”，將可能導(dǎo)致電擊或危險(xiǎn)火花放電的能量限制在變壓器磁場通量線中存儲(chǔ)的能量內(nèi)。變壓器存儲(chǔ)能量的能力（與尺寸和材料有關(guān)）是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)樗鼪Q定了變壓器在變化的負(fù)載條件下提供能量以維持所需電壓電位的能力。

您可以在我們的變壓器理論教程中找到詳細(xì)信息并了解有關(guān)變壓器的更多信息。

圖 1 中有一個(gè)名為“Mag Amp Reset”的塊，它與變壓器的消磁有關(guān)，這是由于架構(gòu)中固有的磁化電流造成的。如果沒有這個(gè)塊，磁芯材料的剩磁會(huì)在功率級(jí) PWM 的幾個(gè)周期內(nèi)使其飽和。雖然這個(gè)附加電路太復(fù)雜，無法在本教程中介紹，但在查看轉(zhuǎn)換器電路圖時(shí)，這個(gè)附加電路可能會(huì)非常令人困惑，了解為什么需要它很有用。

有許多技術(shù)可以執(zhí)行消磁，簡單的方法是當(dāng)功率級(jí)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，消磁電流通過單獨(dú)的輔助繞組反饋到二極管。該電路將 PWM 占空比限制為 50%，但可以使用更復(fù)雜的方法來實(shí)現(xiàn)更高的占空比。

變壓器或其他電流隔離方法（如光耦合器）經(jīng)常用于在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間傳遞信息信號(hào)。這是為了便于對(duì)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行更復(fù)雜的控制——使初級(jí)側(cè)控制電路能夠響應(yīng)次級(jí)側(cè)負(fù)載的狀態(tài)，并動(dòng)態(tài)改變其控制電流的方式，從而降低噪聲并提高效率。

AC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出電路

如濾波部分所述，電容器和電感器等無源電抗（存儲(chǔ)）元件中的電場會(huì)存儲(chǔ)能量。在電荷控制整流之后使用時(shí)，它們在交流輸入功率周期中充當(dāng)能量儲(chǔ)存器。這是轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)重要元件，因?yàn)檫@種能量儲(chǔ)存器充當(dāng)電源 - 能夠在變化的負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)恒定的輸出電壓。

有源元件可感應(yīng)負(fù)載上的電壓和/或流入負(fù)載的電流，并在負(fù)反饋控制回路中使用此信息來調(diào)節(jié)注入這些存儲(chǔ)元件的能量，以保持恒定的輸出電壓水平。此泵送過程使用有源元件來打開和關(guān)閉流入存儲(chǔ)元件的電流，這在廣義的調(diào)節(jié)概念中有所提及。

規(guī)定

我們需要為負(fù)載電路提供恒定電壓，而不管負(fù)載的動(dòng)態(tài)阻抗如何。否則，可能會(huì)出現(xiàn)過壓或欠壓情況，導(dǎo)致電路行為異常甚至損壞電路。低壓數(shù)字電子設(shè)備尤其如此，因?yàn)殡娫措妷罕仨殗?yán)格限制在標(biāo)稱值的百分之幾的范圍內(nèi)。電抗元件對(duì)此沒有任何內(nèi)置控制。AC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制的輸出電壓范圍的方式是通過有條件地控制存儲(chǔ)在低阻抗電抗存儲(chǔ)源中的能量。

隨著這些元件的功率消耗，電壓輸出將隨時(shí)間而變化，并且可能因器件的非理想特性（如串聯(lián)電阻或寄生電容）而產(chǎn)生變化。需要某種動(dòng)態(tài)控制來為該電源充電。這稱為調(diào)節(jié)。微處理器等負(fù)載在執(zhí)行不同操作時(shí)會(huì)改變其所需的功率，這加劇了對(duì)主動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需求。

調(diào)節(jié)控制是一種控制開關(guān)元件的反饋電路。在這種情況下，開關(guān)元件位于轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)。為了使開關(guān)高效，它必須處于完全開啟（盡可能低的阻抗）或完全關(guān)閉（盡可能高的阻抗）狀態(tài)——因?yàn)樵趦煞N狀態(tài)之間會(huì)導(dǎo)致通過開關(guān)的功率被耗散和浪費(fèi)。像 MOSFETS 這樣的半導(dǎo)體開關(guān)并不理想，并且會(huì)表現(xiàn)出一定的阻抗，它們會(huì)耗散能量，從而降低轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)際上，控制開關(guān)的方法只有兩種：通過改變開關(guān)打開或關(guān)閉的占空比，稱為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，或控制打開或關(guān)閉的頻率。非諧振模式轉(zhuǎn)換器采用硬開關(guān)技術(shù)，而諧振模式轉(zhuǎn)換器采用更智能的軟開關(guān)技術(shù)。

軟開關(guān)意味著在零電壓或零電流點(diǎn)打開或關(guān)閉交流波形，從而消除開關(guān)損耗并實(shí)現(xiàn)非常高效的架構(gòu)。同步整流等技術(shù)用 MOSFET 等有源開關(guān)元件取代整流二極管?？刂婆c輸入交流波形同步的開關(guān)使 MOSFET 能夠在正確的時(shí)間以非常低的導(dǎo)通電阻和較小的壓降進(jìn)行傳導(dǎo) - 與二極管整流相比，效率更高。

調(diào)節(jié)電路如何知道何時(shí)切換？控制模式有兩種主要方法：電壓控制和電流控制。調(diào)節(jié)器利用其中一種或兩種方法的組合來調(diào)節(jié)提供給負(fù)載電路的電壓。

電壓控制模式

調(diào)節(jié)電路檢測輸出電壓，將其與參考電壓進(jìn)行比較以產(chǎn)生誤差函數(shù)。誤差信號(hào)修改開關(guān)比，使輸出更接近所需水平。這是簡單的控制方法。

電流控制模式

輸出電壓和電感電流均被感測，并且兩者的組合用于控制占空比。這種內(nèi)部“電流感測環(huán)路”能夠加快對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)時(shí)間，但比電壓控制模式更復(fù)雜。

除了控制方法之外，調(diào)節(jié)元件的進(jìn)一步復(fù)雜化是轉(zhuǎn)換器作為換向周期的方式，這被稱為連續(xù)或不連續(xù)操作模式。連續(xù)操作模式是指電感器電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零（如果轉(zhuǎn)換器拓?fù)渚哂写四Ｊ剑?/p>

這是一種輸出紋波較低、噪聲較低的工作模式，但由于電感始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此它總是會(huì)在其非理想串聯(lián)導(dǎo)通損耗中耗散一些能量。在非連續(xù)模式下，電感電流可以降至零，從而使負(fù)載從存儲(chǔ)電容器中獲取能量。這是一種效率較高的工作模式，但可能具有更多的紋波和較差的調(diào)節(jié)控制。

AC-DC 轉(zhuǎn)換器的類型

正如簡要提到的，有幾種與其拓?fù)湎嚓P(guān)的轉(zhuǎn)換器類型，包括反激式和降壓反激式架構(gòu)。這些是常見的拓?fù)洌驗(yàn)樗鼈儼儔浩鳎?shù)量少，并且相對(duì)于其他選項(xiàng)成本較低。

反激式轉(zhuǎn)換器通常是降壓-升壓 AC-DC 轉(zhuǎn)換器（升壓/降壓），其中電感器被變壓器取代。變壓器內(nèi)部存儲(chǔ)的能量用于通過有源或無源整流電路對(duì)次級(jí)進(jìn)行換向。常見的反激式轉(zhuǎn)換器類型采用不連續(xù)模式 (DCM) - 變壓器中流動(dòng)的電流趨于零 - 因?yàn)檫@通常具有簡單的控制環(huán)路和的成本。連續(xù)電流模式 (CCM) 反激式轉(zhuǎn)換器需要更高的功率水平，但由于連續(xù)導(dǎo)通會(huì)導(dǎo)致更高的變壓器繞組損耗。

許多電源根據(jù)負(fù)載水平在模式之間切換。反激式拓?fù)渖系臏?zhǔn)諧振 (QR) 和谷底開關(guān)/可變頻率變化是更復(fù)雜的電路，可優(yōu)化開關(guān)時(shí)間和方式以提高效率。QR 反激式通過回收非理想漏電感的能量來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，谷底開關(guān)可減少過沖引起的尖峰。它們通常用于低功率應(yīng)用。