帶你解鎖ACDC、DCDC轉換器基礎

1、首先，我們過一下AC （交流）和DC （直流）的概念。何謂ACAlternating Current （交流）的首字母縮寫。AC是大小和極性（方向）隨時間呈周期性變化的電流。電流極性在1秒內的變化次數被稱為頻率，以Hz為單位表示。+/K0時間 TOC o 1-5 h z ，waBJ1 J，/SL:SPiBk, mV、/ / /、/J何謂DCDirect Current （直流）的首字母縮寫。DC是極性（方向）不隨時間變化的電流。流動極性（方向）和大小皆不隨時間變化的電流通常被稱為DC。+A0時間-V流動極性不隨時間變化，但大小隨時間變化的電流也是DC,通常被稱為紋波電流 （Ripple cur

2、rent）o+AZXK/ / / / o丫乂Y時間-V開關穩(wěn)壓器接通開關元件（MOSFET） 輸出電壓到達規(guī)定值后， 通過高速重復這一動作，開關穩(wěn)壓器接通開關元件（MOSFET） 輸出電壓到達規(guī)定值后， 通過高速重復這一動作，,從輸入端向輸出端供電，直至輸出電壓到達所需電壓。開關元件即關閉，不再消耗輸入功率。開關元件控制電路開關動作輸入電壓輸出電壓開關元件將輸出電壓調節(jié)到規(guī)定值。ON OFF ON OFF優(yōu)點：效率高發(fā)熱小可實現升壓/降壓/負電壓的轉換缺點：外置部件多設計困難噪音大線性穩(wěn)壓器的工作原理一般的引腳構成線性穩(wěn)壓器基本上由VIN （輸入）、V0 （輸出）、GND （接地）三個引腳構成

3、。在輸出可變的線性穩(wěn)壓器上添加了用于反應輸出電壓的FB （反應引腳）。簡單來說，電壓固定型是內置了電壓可變型的外接電阻的穩(wěn)壓器。GND線性穩(wěn)壓器的內部電路概要如下列圖所示。其工作原理與反相放大電路相同，誤差放大器的非反相引腳(FB)電壓與基準電壓(VREF) 相同，因此輸出電壓值(V0)由兩個電阻(R1和R2)的阻值比決定。VO=(Rl+R2)/R2xVREF下列圖的輸出晶體管為MOSFET,不過也有使用雙極晶體管的產品。輸出Tr 里軍雙極 TrMOSFETVinoVinovopREFR13R2 BFGND手線性穩(wěn)壓器的分類按功能分類線性穩(wěn)壓器按功能進行分類時，首先可分為正電壓用和負電壓用兩種

4、。根據使用電路不同，也有不需要正電源，而需要負電源的產品。假設只有正側電源，那么不能處理接地電位以下的電壓，不能將晶體管的輸出引腳的電壓分配 至負電平。將控制晶體管裝入負輸出線，從而產生負電壓?！景垂δ芊诸悺烤€性穩(wěn)壓器年電函I1負電壓用IU電壓固定型 r電壓可變型LDO其次，還可分為電壓固定型和電壓可變型兩種。固定型由輸入、輸出、GND三個引腳構 成，內置有輸出電壓設定用電阻?？勺冃蜑镚ND基準型時，添加反應引腳變成四個引腳?？勺冃椭幸灿袩oGND引腳的浮動 工作型，這種情況為三個引腳。GND電壓固定型和電壓可變型之后還可分為標準型和LDO兩種。LDO是Low Dropout的縮寫，是降低了輸入

5、輸出間電位差的線性穩(wěn)壓器。標準型的輸入輸 出間電位差最低也有約2V,而LDO可控制在IV以下。何謂LDO?LDO是Low Dropout的縮寫，是即使較低的輸入輸出間電位差也可進行工作的線性穩(wěn)壓 器。有時也稱為低損耗型線性穩(wěn)壓器或低飽和型線性穩(wěn)壓器。關于LDO的輸入輸出間電位差并無數值性的定義，一般是指穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作時最低電位差 可控制在IV以下的穩(wěn)壓器。例如，對于需要3.3V電源的IC,由于標準型不可制作5V到3.3V電源，因此，需要輸入輸 出間電位差較低的LDOo這樣，LDO在輸出與標準型穩(wěn)壓器相同的電壓時，也可設定較低的輸入電壓。通過低電位差工作，可使能量損耗較少，可進行抑制散熱等設計。

6、壓降在線性穩(wěn)壓器的內部，從VIN到V0間加入了晶體管，使此晶體管穩(wěn)定工作所需的輸入輸 出間最低電位差稱為壓降。輸入輸出間電壓差低于壓降時，晶體管難以維持穩(wěn)定的工作，輸出電壓會降低。ovoGND工這樣，為了使含有LD。的線性穩(wěn)壓器工作，設定了所需的最低輸入電壓值，此時(V0+壓 降)即為穩(wěn)壓器的最低工作電壓值。輸入電壓值(VIN)低于最低工作電壓時，輸出電壓不能穩(wěn)定工作。一、AC/DC轉換器何謂AC/DC轉換器？AC/DC轉換器是指將AC （交流電壓）轉換成DC （直流電壓）的元件。為什么需要AC/DC轉換器？那是因為家庭住宅和樓房接收到的電壓是100V或200V的AC電壓。然而大家大局部使用

7、的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。也就是說，如果不把AC電壓轉換成DC電 壓，電器就不能工作。線性穩(wěn)壓器開關穩(wěn)壓器AC100V（交流）u開關穩(wěn)壓器AC/DC轉換器例如DC24V（直流）r DC/DC轉換器DC/DC轉換器耳DC/DC轉換器多種電壓要求觸控5V12V電機其中也有電機、燈泡等可以用交流電壓驅動的產品，但電機與微控制器的控制電路連在一 起，燈泡也變成節(jié)能LED,因此有必要進行ACDC轉換。為什么傳輸的是AC電壓？可能有人會認為既然電器使用的是DC,那為什么不一開始就傳輸DC? 總所周知，電力來自水力發(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

8、輸到市區(qū)，AC電壓更有優(yōu)勢。簡而言之，通過以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓，可以減少傳輸損耗（能量損耗）。然 而，在實際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過幾個變電站分階段進行變壓（降壓），最后轉換成100V或200V后進入家庭。這些轉換也因AC更簡單，所以傳輸的是 AC電壓。全波整流和半波整流（AC/DC轉換）將AC （交流電壓）轉換為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進行整流，唯樣商城在售二極管，型號多樣，原廠 授權正品現貨。全波整流是通過二極管橋式電路結構將輸入電壓的負電壓成分轉換為正電壓后整流成直流 電壓（脈沖電壓）。

9、而半波整流是使用一個二極管來消除輸入負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平滑波形，從而轉換為純潔的直流電 壓。因此可以說，與不利用輸入負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。止匕外，平滑后的紋波電壓根據電容器容量和負載（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轉換方法AC/DC轉換有變壓器方式和開關方式。變壓器方式這是普通AC/DC轉換器的變壓器方式電路結構?！咀儔浩鞣绞降碾娐方Y構例如】eOeO變壓器廠eo下列圖顯示了變壓器方式電壓波形

10、的變化。變壓器方法首先需要通過變壓器將交流電壓降壓到適當的交流電壓（例如，從AC100V降 至AC10V等）。這屬于AC/AC轉換，降壓值由變壓器的繞組比設定。接下來，通過二極管橋式整流器對經過變壓器降壓的交流電壓進行全波整流，轉換為脈沖 電壓。最后，經電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓，這是最傳統的AC/DC轉換方法。【變壓器方式的波形推移】交流電壓輸入 / 變壓器 匚” 橋/零募器 , 電容器開關方式這是普通AC/DC轉換器的開關方式電路結構。【開關方式的電路結構例如】高頻高頻控制電路J二次便下列圖顯示了開關方式電壓波形的變化。變壓器方式是首先通過變壓器進行AC/AC降壓，而開關方式是直接用

11、二極管橋式整流器對 交流電壓進行整流。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，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 過開關元件的ON/OFF對直流電壓進行斬波（切割），并經過高頻變壓器降壓后傳送到二次 側。此時，斬波波形變?yōu)榉讲?。與家用頻率（50/60HZ）相比，開關元件使用的頻率更高（例如，100kHz）o由于高頻工 作，所以可以實現變壓器的小型化、輕便化?！鹃_關方式的波形推移】電壓。開關方式是利用控制電路控制開關元件，獲得穩(wěn)定的預期的直流輸出（例如，DC12V）的 方式。與變壓器方式相

12、比，開關方式由開關元件和控制電路組成，電路結構較復雜，但由于基于 高頻控制可以使用小型變壓器，所以有助于設備小型化，這是它的一個很大的優(yōu)點。反應控制何謂反應控制？開關式AC/DC轉換器通過確認實際輸出的DC電壓值，并根據該電壓信息對開關元件進行 控制，從而確保穩(wěn)定實現規(guī)定的DC輸出。這種確認該輸出電壓值以控制開關元件的機制 叫做反應控制（FB控制）?！鹃_關方式電路結構例如】反應控制的示意圖開關式AC/DC轉換器通過二極管電橋對AC電壓進行整流，再通過電容器實施平滑處理， 將AC電壓轉換為DC電壓。然后，通過開關元件對該DC電壓進行斬波（ON/OFF）后，通 過高頻變壓器降壓后傳遞到2次側，再利

13、用電容器進行平滑處理，輸出規(guī)定的DC電壓（VDC）oFB控制電路檢測實際輸出的該電壓值是否到達規(guī)定的目標電壓值。ON25%周期周期周期50%75%電壓OFF75%50%25%平滑處理后25%50%75%【經過平滑處理的輸出電壓示意圖】 實際輸出電壓值低于目標電壓值時，那么會對開關元件進行控制，使ON時間變長。這樣, 輸出電壓值就會上升。反之，高于目標電壓值時，那么控制ON時間變短。這樣，反應控制電路常時對實際輸出電壓值進行確認，并根據該值調整開關元件的ON/OFF 時間，確保目標輸出電壓值的穩(wěn)定。輕負載模式何謂輕負載模式？提高使用較少輸出電流時的效率的技術叫做輕負載模式。在DC/DC轉換器等中

14、也叫脈沖串 模式。開關式AC/DC及DC/DC轉換器通過ON/OFF轉換進行電壓斬波和電容器平滑處理，以穩(wěn)定 提供目標輸出電壓值。但是，這種轉換在ON/OFF時會產生瞬間漏電流（貫通電流）。也就 是說，單位時間內的ON/OFF次數越多，漏電流導致的損失越大，效率越低。周期恒定（PWM控制）時，即使ON/OFF時間比有變化，其次數在單位時間內也是恒定 的。因此，自身功耗量也是恒定的，輕負載時這種轉換漏電流造成的損失會導致效率降 低。故此，在使用電流少的情況下，通過頻率調制（PFM控制）將周期拉長、變慢，從而 減少單位時間內的ON/OFF轉換次數，以減少損失。這種技術就叫做輕負載模式。PWM周期周

15、期周期緩慢緩慢ON【PWM方式和PFM方如根據狀況區(qū)分使用PWM和PFM可進一步提高效率，如高負載（使用電流）時使用周期恒 定的PWM控制，輕負載（不使用電流）時使用周期變化的PFM控制。PWM （脈寬調制）：頻率恒定，通過開關ON從輸入電壓中調取輸出局部的控制方式。PFM （脈沖頻率調制）：通過固定ON時間、改變頻率（改變OFF時間）來調取輸出部 分的方式。反之，也有固定OFF時間、改變ON時間的方式。PFM方式根據輸出電流量改變頻率，效率較高，但開關時會不定期發(fā)生噪音。這種頻率無 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

16、為補充，高頻率驅動的高負載（噪音發(fā)生較 多）時采用PWM,電流使用較少的低負載時采用PFM,擇優(yōu)使用，即可盡可能提高效 率。二、DC/DC轉換器何謂DC/DC轉換器？DC/DC轉換器是一種將DC （直流）轉換為DC （直流）的元件，具體是指利用DC （直流） 轉換電壓的元件。IC等電子元件各自的工作電壓范圍不同，因此需要轉換為相應的電壓。 生成電壓低于初始電壓的轉換器被稱為“降壓轉換器“；生成電壓高于初始電壓的轉換器被 稱為“升壓轉換器“。名稱呼明DC/DC轉換器是指將直流轉換為直流的裝置的名稱。它常被稱為線性穩(wěn)壓器或開關穩(wěn)壓器等，以轉換方式的名稱命名OAC/DC轉換所用方式的名稱例如例如開關

17、置壓器AC100V/開關穩(wěn)壓器DC/DC轉換所用方式的名稱 / 線性糖壓同為何需要DC/DC轉換器？多樣化的電壓要求AC100V開關穩(wěn)壓制（交流）打 AC/DC轉換器例如DC24V（直流）線性稅壓器開關穩(wěn)壓器插入插座進行工作的電氣產品需要使用將AC （交流）100V轉換為DC （直流）的“AC/DC轉 換器，這是因為大局部半導體部件只能在DC下工作。整機電路板上搭載的IC等具有各自 固有的工作電壓范圍，電壓精度要求也不同。通過電壓不穩(wěn)的電源等供電會導致誤動作或 特性劣化等異常。因此，需使用“DC/DC轉換器“轉換為所需的電壓并實現穩(wěn)定化。通過DC/DC轉換器實現電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。電源IC種類電源IC大致分為線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器兩種。作為其各自的輸出形式，線性穩(wěn)壓器僅可降壓輸出比輸入電壓低的電壓。開關穩(wěn)壓器那么具有自由度，輸出形式包括以下4種：降壓輸出比輸入電壓低的電壓升壓輸出比輸入電壓高的電壓.升降壓輸出恒定電壓，與輸入電壓的高低無關從正電壓反轉輸出負電壓而且，開關穩(wěn)壓器的整流方式有同步整流和非同步整流（二極管整流）?！倦娫碔C種類】單出形式單出形式整流方式線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器通過DC/DC轉換器實現電壓穩(wěn)定