AC-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)指引

AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)

指南

首先，我們過(guò)一下AC（交流）和DC（直流）的概念。何謂ACAlternatingCurrent（交流）的首字母縮寫。AC是大小和極性（方向）隨時(shí)間呈周期性變化的電流。電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率，以Hz為單位表示。電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率，以Hz為單位表示。何謂DC十八/ODirectCurrent（直流）的首字母縮寫。DC是極性（方向）不隨時(shí)間變化的電流。①流動(dòng)極性（方向）和大小皆不隨時(shí)間變化的電流通常被稱為DC。②流動(dòng)極性不隨時(shí)間變化，但大小隨時(shí)間變化的電流也是DC,通常被稱為紋波電流（Ripplecurrent）o

一、AC/DC轉(zhuǎn)換器何謂AC/DC轉(zhuǎn)換器？AC/DC轉(zhuǎn)換器是指將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換成DC（直流電壓）的元件。為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)換器？為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)換器？那是因?yàn)榧彝プ≌蜆欠拷邮盏降碾妷菏?00V或200V的AC電壓。然而大家大部分使用的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。也就是說(shuō)，如果不把AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，電器就不能工作。HDC/DC轉(zhuǎn)換器I例如也就是說(shuō)，如果不把AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，電器就不能工作。HDC/DC轉(zhuǎn)換器I例如（直流）開美◎氏器DC/DC轉(zhuǎn)換器|^匕＞AC^OOV（交涮AC/DC轉(zhuǎn)換器多種電壓要求>TDC/DC轉(zhuǎn)換器—P圖>線性穩(wěn)壓器開關(guān)稹.巳器其中也有電機(jī)、燈泡等可以用交流電壓驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，但電機(jī)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(jìn)行ACDC轉(zhuǎn)換。為什么傳輸?shù)氖茿C電壓？可能有人會(huì)認(rèn)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(lái)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)傳輸?shù)绞袇^(qū)，AC電壓更有優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)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(shí)際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過(guò)幾個(gè)變電站分階段進(jìn)行變壓（降壓），最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進(jìn)入家庭。這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡(jiǎn)單，所以傳輸?shù)氖茿C電壓。全波整流和半波整流（AC/DC轉(zhuǎn)換）將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)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(lái)進(jìn)行整流。全波整流半波整流電路結(jié)構(gòu)邊波電壓負(fù)戰(zhàn)LOAD整流平滑后的電壓波形整流后的電壓波形LOAD全波整流半波整流電路結(jié)構(gòu)邊波電壓負(fù)戰(zhàn)LOAD整流平滑后的電壓波形整流后的電壓波形LOAD輸入電壓波形全波整流是通過(guò)二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓（脈）中電壓）。而半波整流是使用一個(gè)二極管來(lái)消除輸入負(fù)電壓成分后整流為直流電壓（脈）中電壓）。之后，利用電容器的充電和放電功能來(lái)平滑波形，從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。因此可以說(shuō)，與不利用輸入負(fù)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。此外，平滑后的紋波電壓根據(jù)電容器容量和負(fù)載化。人口）而變化。全波整流和半波整流在相同的電容器容量和負(fù)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(zhuǎn)換方法AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開關(guān)方式。變壓器方式這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器方式電路結(jié)構(gòu)。

【變壓器方式的電路結(jié)構(gòu)示例】下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。變壓器方法首先需要通過(guò)變壓器將交流電壓降壓到適當(dāng)?shù)慕涣麟妷海ɡ?，從AC100V降至AC10V等）。這屬于AC/AC轉(zhuǎn)換，降壓值由變壓器的繞組比設(shè)定。接下來(lái)，通過(guò)二極管橋式整流器對(duì)經(jīng)過(guò)變壓器降壓的交流電壓進(jìn)行全波整流，轉(zhuǎn)換為脈沖電壓。最后，經(jīng)電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓，這是最傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換方法?！咀儔浩鞣绞降牟ㄐ瓮埔啤扛冈措?玉穗人芟比器 橋式整流器 電行等開關(guān)方式這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)?！鹃_關(guān)方式的電路結(jié)構(gòu)示例】

下圖顯示了開關(guān)方式電壓波形的變化。開關(guān)元件整流二橫管電容器一次側(cè)二次酬高頻變壓器二嵌管精裝整流器電容轉(zhuǎn)控制電路下圖顯示了開關(guān)方式電壓波形的變化。開關(guān)元件整流二橫管電容器一次側(cè)二次酬高頻變壓器二嵌管精裝整流器電容轉(zhuǎn)控制電路LORD變壓器方式是首先通過(guò)變壓器進(jìn)行AC/AC降壓，而開關(guān)方式是直接用二極管橋式整流器對(duì)交流電壓進(jìn)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(lái)，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(guò)開關(guān)元件的ON/OFF對(duì)直流電壓進(jìn)行斬波（切割），并經(jīng)過(guò)高頻變壓器降壓后傳送到二次側(cè)。此時(shí)，斬波波形變?yōu)榉讲?。與家用頻率（50/60Hz）相比，開關(guān)元件使用的頻率更高（例如，100kHz）。由于高頻工作，所以可以實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化、輕便化。【開關(guān)方式的波形推移】交游電壓輸入，標(biāo)【開關(guān)方式的波形推移】交游電壓輸入，標(biāo)m器?電容器中開關(guān)元件，裔莫變壓將?整流二極售?電容藉在二次側(cè)利用整流二極管對(duì)方波進(jìn)行半波整流，之后用電容器對(duì)刈皿口皿皿町口口其進(jìn)行平滑，并輸出直流電壓。開關(guān)方式是利用控制電路控制開關(guān)元件，獲得穩(wěn)定的預(yù)期的直流輸出（例如，DC12V）的方式。與變壓器方式相比，開關(guān)方式由開關(guān)元件和控制電路組成，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)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(shè)備小型化，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。反饋控制何謂反饋控制?開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)確認(rèn)實(shí)際輸出的DC電壓值，并根據(jù)該電壓信息對(duì)開關(guān)元件進(jìn)行控制，從而確保穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)規(guī)定的DC輸出。這種確認(rèn)該輸出電壓值以控制開關(guān)元件的機(jī)制叫做反饋控制（FB控整流二極管控制電路卜制）。【開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)示例】\電容器/ZZZ二級(jí)管橋式整流二極管控制電路卜制）?！鹃_關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)示例】\電容器/ZZZ二級(jí)管橋式整流器開關(guān)元件電容器FB控制高頻變壓器反饋控制的示意圖開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)二極管電橋?qū)C電壓進(jìn)行整流，再通過(guò)電容器實(shí)施平滑處理，將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。然后，通過(guò)開關(guān)元件對(duì)該DC電壓進(jìn)行斬波(ON/OFF)后，通過(guò)高頻變壓器降壓后傳遞到2次側(cè)，再利用電容器進(jìn)行平滑處理，輸出規(guī)定的DC電壓(VDC)。FB控制電路檢測(cè)實(shí)際輸出的該電壓值是否達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)電壓值?！窘?jīng)過(guò)平滑處理的輸出電壓示意圖】實(shí)際輸出電壓值低于目標(biāo)電壓值時(shí)，則會(huì)對(duì)開關(guān)元件進(jìn)行控制，使ON時(shí)間變長(zhǎng)。這樣，輸出電壓值就會(huì)上升。反之，高于目標(biāo)電壓值時(shí)，則控制ON時(shí)間變短。這樣，反饋控制電路常時(shí)對(duì)實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行確認(rèn)，并根據(jù)該值調(diào)整開關(guān)元件的ON/OFF時(shí)間，確保目標(biāo)輸出電壓值的穩(wěn)定。輕負(fù)載模式何謂輕負(fù)載模式？提高使用較少輸出電流時(shí)的效率的技術(shù)叫做輕負(fù)載模式。在DC/DC轉(zhuǎn)換器等中也叫脈沖串模式。輕負(fù)載模式示意圖開關(guān)式AC/DC及DC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)ON/OFF轉(zhuǎn)換進(jìn)行電壓斬波和電容器平滑處理，以穩(wěn)定提供目標(biāo)輸出電壓值。但是，這種轉(zhuǎn)換在ON/OFF時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間漏電流（貫通電流）。也就是說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)的0立0尸尸次數(shù)越多，漏電流導(dǎo)致的損失越大，效率越低。周期恒定（PWM控制）時(shí)，即使ON/OFF時(shí)間比有變化，其次數(shù)在單位時(shí)間內(nèi)也是恒定的。因此，自身功耗量也是恒定的，輕負(fù)載時(shí)這種轉(zhuǎn)換漏電流造成的損失會(huì)導(dǎo)致效率降低。故此，在使用電流少的情況下，通過(guò)頻率調(diào)制（PFM控制）將周期拉長(zhǎng)、變慢，從而減少單位時(shí)間內(nèi)的ON/OFF轉(zhuǎn)換次數(shù)，以減少損失。這種技術(shù)就叫做輕負(fù)載模式?！綪WM方式和PFM方式】根據(jù)狀況區(qū)分使用PWM和PFM可進(jìn)一步提高效率，如高負(fù)載（使用電流）時(shí)使用周期恒定的PWM控制，輕負(fù)載（不使用電流）時(shí)使用周期變化的PFM控制。■PWM（脈寬調(diào)制）：頻率恒定，通過(guò)開關(guān)ON從輸入電壓中調(diào)取輸出部分的控制方式。?PFM（脈沖頻率調(diào)制）:通過(guò)固定ON時(shí)間、改變頻率（改變OFF時(shí)間）來(lái)調(diào)取輸出部分的方式。反之，也有固定OFF時(shí)間、改變ON時(shí)間的方式。PWM和PFMPFM方式根據(jù)輸出電流量改變頻率，效率較高，但開關(guān)時(shí)會(huì)不定期發(fā)生噪音。這種頻率無(wú)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可互為補(bǔ)充，高頻率驅(qū)動(dòng)的高負(fù)載（噪音發(fā)生較多）時(shí)采用PWM，電流使用較少的低負(fù)載時(shí)采用PFM，擇優(yōu)使用，即可盡可能提高效率。二、DC/DC轉(zhuǎn)換器何謂DC/DC轉(zhuǎn)換器？DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種將DC（直流）轉(zhuǎn)換為DC（直流）的元件，具體是指利用DC（直流）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。生成電壓低于初始電壓的轉(zhuǎn)換器被稱為〃降壓轉(zhuǎn)換器〃；生成電壓高于初始電壓的轉(zhuǎn)換器被稱為〃升壓轉(zhuǎn)換器〃。名稱說(shuō)明DC/DC轉(zhuǎn)換器是指將直流轉(zhuǎn)換為直流的裝置的名稱。它常被稱為線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等，以轉(zhuǎn)換方式的名稱命名。A3DC轉(zhuǎn)換所丹方式的名將DC/DC轉(zhuǎn)換所用方式的名稱AC100V開美德氏器A3DC轉(zhuǎn)換所丹方式的名將DC/DC轉(zhuǎn)換所用方式的名稱AC100V開美德氏器例如DC24V域性建房器開然穩(wěn)壓^ImDC5.0V（直流）將直流轉(zhuǎn)熱為直流的裝背的名梆主要鵲橫電壓值降低電壓的電源裝置降壓轉(zhuǎn)換器、Buck轉(zhuǎn)換器、Step-down轉(zhuǎn)換器提高電壓的電源裝置升壓轉(zhuǎn)換器、Boost轉(zhuǎn)換器、Step-up轉(zhuǎn)換器升降電壓的電源裝置升降壓轉(zhuǎn)換器、Buck-Boost轉(zhuǎn)換器生成負(fù)電壓的電源裝置 負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、逆變轉(zhuǎn)換器為何需要DC/DC轉(zhuǎn)換器？插入插座進(jìn)行工作的電氣產(chǎn)品需要使用將AC（交流）100V轉(zhuǎn)換為DC（直流）的〃AC/DC轉(zhuǎn)換器〃。這是因?yàn)榇蟛糠职雽?dǎo)體部件只能在DC下工作。整機(jī)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(guò)電壓不穩(wěn)的電源等供電會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作或特性劣化等異常。因此，需使用〃DC/DC轉(zhuǎn)換器〃轉(zhuǎn)換為所需的電壓并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。

多樣化的電壓要求JAC100V 開關(guān)穩(wěn)壓器（交流） 多樣化的電壓要求JAC100V 開關(guān)穩(wěn)壓器（交流） 4AC/DC雌器I例如 ,_]DC24V（直流）線性穩(wěn)盅器開能穩(wěn)壓楣通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)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(guān)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(guān)穩(wěn)壓器則具有自由度，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(wú)關(guān)從正電壓反轉(zhuǎn)輸出負(fù)電壓而且，開關(guān)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】

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。按轉(zhuǎn)換方式，電壓穩(wěn)壓器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器2種類型。線性穩(wěn)壓器因工作時(shí)輸入與輸出的關(guān)系呈線型，故被稱為〃線性穩(wěn)壓器〃。因輸入與輸出間串聯(lián)有控制元件，有時(shí)也被稱為〃串聯(lián)穩(wěn)壓器〃。通過(guò)控制元件降壓，因此輸入與輸出的電壓差（降壓程度）越大損耗就越大，效率也越低。

因此適用于小功率的電源。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電路簡(jiǎn)單外接部件少噪音小效率低發(fā)熱大僅降壓型轉(zhuǎn)換器開關(guān)穩(wěn)壓器接通開關(guān)元件（MOSFET），從輸入端向輸出端供電，直至輸出電壓達(dá)到所需電壓。輸出電壓達(dá)到規(guī)定值后，開關(guān)元件即關(guān)閉，不再消耗輸入功率。通過(guò)高速重復(fù)這一動(dòng)作，將輸出電壓調(diào)節(jié)到規(guī)定值?？刂齐娐房刂齐娐份敵鲭妷洪_關(guān)元件輸入電壓開關(guān)動(dòng)作輸出電壓開關(guān)元件輸入電壓開關(guān)動(dòng)作優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)效率高發(fā)熱小可實(shí)現(xiàn)升壓/降壓/負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換外置部件多設(shè)計(jì)困難噪音大線性穩(wěn)壓器的工作原理一般的引腳構(gòu)成線性穩(wěn)壓器基本上由VIN（輸入）、丫。（輸出）、GND（接地）三個(gè)引腳構(gòu)成。在輸出可變的線性穩(wěn)壓器上添加了用于反饋輸出電壓的FB（反饋引腳）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電壓固定型是內(nèi)置了電壓可變型的外接電阻的穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部電路概要如下圖所示。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(zhǔn)電壓(VREF)相同，因此輸出電壓值(VO)由兩個(gè)電阻(R1和R2)的阻值比決定。Vo=[(R1+R2)/R2]xVREF下圖的輸出晶體管為MOSFET，不過(guò)也有使用雙極晶體管的產(chǎn)品。

線性穩(wěn)壓器的分類-OREFR1(=VC2線性穩(wěn)壓器的分類-OREFR1(=VC2按功能分類線性穩(wěn)壓器按功能進(jìn)行分類時(shí)，首先可分為正電壓用和負(fù)電壓用兩種。根據(jù)使用電路不同，也有不需要正電源，而需要負(fù)電源的產(chǎn)品。若只有正側(cè)電源，則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(fù)電平。將控制晶體管裝入負(fù)輸出線，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。【按功能分類】

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(gè)引腳構(gòu)成，內(nèi)置有輸出電壓設(shè)定用電阻。可變型為GND基準(zhǔn)型時(shí)，添加反饋引腳變成四個(gè)引腳?？勺冃椭幸灿袩o(wú)GND引腳的浮動(dòng)工作型