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基礎知識之AC/DC轉換器

作者: 時間:2024-03-28 來源:電子森林 收藏

是指將AC(交流電壓)轉換成DC(直流電壓)的元件。

本文引用地址:http://www.beadyclass.cn/article/202403/456918.htm

為什么需要AC/DC轉換器?

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,如果不把AC電壓轉換成DC電壓,電器就不能工作。 

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,電力來自水力發電站、火力發電站、核電站等。這些發電站位于山區或沿海等地區,從這些地區傳輸到市區,AC電壓更有優勢。 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。

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。

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)。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,從而轉換為純凈的直流電壓。 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。 此外,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,穩定性越高、性能越優。

AC/DC轉換有變壓器方式和開關方式。本節介紹變壓器方式。

變壓器方式

【變壓器方式的電路結構示例】

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】

AC/DC轉換有變壓器方式和開關方式。本節介紹開關方式。

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示例】

下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,斬波波形變為方波。 與家用頻率(50/60Hz)相比,開關元件使用的頻率更高(例如,100kHz)。由于高頻工作,所以可以實現變壓器的小型化、輕便化。

【開關方式的波形推移】

在二次側利用整流二極管對方波進行半波整流,之后用電容器對其進行平滑,并輸出直流電壓。 開關方式是利用控制電路控制開關元件,獲得穩定的預期的直流輸出(例如,DC12V)的方式。 與變壓器方式相比,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點。

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,從而確保穩定實現規定的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饋控制(FB控制)。

【開關方式電路結構示例】

反饋控制的示意圖

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,再利用電容器進行平滑處理,輸出規定的DC電壓(VDC)。 FB控制電路檢測實際輸出的該電壓值是否達到規定的目標電壓值。

【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,則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,則控制ON時間變短。 這樣,反饋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定。

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轉換器等中也叫脈沖串模式。

輕負載模式示意圖

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方式和PFM方式】

根據狀況區分使用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 <Pulse Width Modulation> (脈寬調制):頻率恒定,通過開關ON從輸入電壓中調取輸出部分的控制方式。

PFM <Pulse Frequency Modulation>(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。

PWM和PFM

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可互為補充,高頻率驅動的高負載(噪音發生較多)時采用PWM,電流使用較少的低負載時采用PFM,擇優使用,即可盡可能提高效率。



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