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必看!AC/DC 的基础

 家和万事兴frvp 2019-11-30
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。

总而言之,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。
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。
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。

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。

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。

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。


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