了解AC/DC电源

时间：2022-09-06来源：佚名

　　什么是电源？

　　电源是一种电气设备，它将来自电源（例如电源）的电流转换为为负载（例如电机或电子设备）供电所需的电压和电流值。

　　电源的目标是以适当的电压和电流为负载供电。电流必须以受控的方式 - 并以准确的电压 - 提供给各种负载，有时同时提供，所有这些都不能让输入电压或其他连接设备的变化影响输出。

　　电源可以是外部的，通常出现在笔记本电脑和手机充电器等设备中，也可以是内部的，例如台式计算机等较大的设备。

　　电源可以是稳压的，也可以是非稳压的。在稳压电源中，输入电压的变化不会影响输出。另一方面，在非稳压电源中，输出取决于输入的任何变化。

　　所有电源的共同点是，它们从输入端的电源获取电力，以某种方式对其进行转换，然后将其输送到输出端的负载。

　　输入和输出的电源可以是交流电 (AC) 或直流电 (DC)：

　　当电流沿一个恒定方向流动时，就会出现直流电 (DC)。它通常来自电池、太阳能电池或 AC/DC 转换器。DC 是电子设备的首选电源类型。当电流周期性地反转其方向时，就会出现交流电 (AC)。交流电是通过输电线向家庭和企业供电的方法

　　因此，如果 AC 是提供给您家的电源类型，而 DC 是您需要为手机充电的电源类型，那么您将需要 AC_DC电源来转换来自电源的 AC 电压电网到为手机电池充电所需的直流电压。

　　了解交流电 (AC)

　　任何电源设计的第一步都是确定输入电流。在大多数情况下，电网的输入电压源是交流电。

　　交流电的典型波形是正弦波（见图 1）。

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　　图 1：交流波形和基本参数

　　使用交流电源时必须考虑几个指标：

　　峰值电压/电流：波可以达到的幅度最大值频率：波每秒完成的周期数。完成一个周期所需的时间称为周期。平均电压/电流：一个周期内电压取的所有点的平均值。在没有叠加直流电压的纯交流波中，该值将为零，因为正半部分和负半部分相互抵消。均方根电压/电流：定义为瞬时电压平方的一个周期内平均值的平方根。在纯交流正弦波中，其值可以用公式 (1)计算：五磷乙一个ķ√2五磷乙一个ķ2它也可以定义为产生相同加热效果所需的等效直流功率。尽管定义复杂，但它在电气工程中被广泛使用，因为它可以让您找到交流电压或电流的有效值。因此，它有时表示为 VAC。相位：两个波之间的角度差。一个完整的正弦波周期分为 360°，从 0° 开始，在 90°（正峰）和 270°（负峰）处有峰值，并在 180° 和 360° 处两次穿过起点。如果将两个波绘制在一起，并且一个波在另一个波达到其负峰值的同时达到其正峰值，则第一个波将在 90°，而第二个波将在 270°；这意味着相位差为 180°。这些波被认为是反相的，因为它们的值总是具有相反的符号。如果相位差为 0°，那么我们说两个波同相。

　　交流电 (AC) 是电力从发电设施传输到最终用户的方式。它用于电力运输，因为电力在运输过程中需要多次转换。

　　发电机产生约 40,000V 或 40kV 的电压。然后将该电压升高到 150kV 和 800kV 之间的任何位置，以减少长距离传输电流时的功率损耗。一旦到达目的地区域，电压就会降低到 4kV 到 35kV 之间。最后，在电流到达个人用户之前，根据位置将其降低到 120V 或 240V。

　　所有这些电压变化对于直流电（DC）来说要么很复杂，要么效率很低，因为线性变压器依靠电压波动来传输和转换电能，因此它们只能与交流电（AC）一起工作。

　　线性与开关 AC_DC电源

　　线性交流/直流电源

　　线性 AC/DC 电源具有简单的设计。

　　通过使用变压器，交流 (AC) 输入电压降低到更适合预期应用的值。然后，降低的交流电压被整流并变成直流 (DC) 电压，经过滤波以进一步提高波形质量（图 2）。

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　　图 2：线性 AC/DC 电源框图

　　传统的线性 AC/DC 电源设计多年来一直在发展，在效率、功率范围和尺寸方面都有所提高——但这种设计存在一些限制其集成的重大缺陷。

　　线性 AC/DC 电源的一个巨大限制是变压器的尺寸。由于输入电压在输入端进行变换，因此必要的变压器必须非常大，因此非常重。

　　在低频（例如 50Hz）下，需要较大的电感值才能将大量功率从初级线圈传输到次级线圈。这需要大型变压器磁芯，这使得这些电源的小型化实际上是不可能的。

　　线性 AC_DC电源的另一个限制是大功率电压调节。

　　线性 AC_DC 电源使用线性稳压器在输出端保持恒定电压。这些线性稳压器以热量的形式消散任何额外的能量。对于低功率，不会造成太大问题。然而，对于高功率，稳压器为保持恒定输出电压而必须散发的热量非常高，并且需要添加非常大的散热器。

　　开关 AC/DC 电源

　　已经开发出新的设计方法来解决与线性或传统 AC/DC 电源设计相关的许多问题，包括变压器尺寸和电压调节。

　　由于半导体技术的发展，开关电源现在成为可能，特别是由于创造了大功率 MOSFET 晶体管，即使存在大电压和电流，它也可以非常快速有效地打开和关闭。

　　开关 AC/DC 电源能够创建更高效的电源转换器，不再耗散多余的功率。

　　使用开关电源转换器设计的 AC/DC 电源称为开关模式电源。AC/DC 开关模式电源有一种稍微复杂的方法将交流电转换为直流电。

　　在开关交流电源中，输入电压不再降低；相反，它在输入端被整流和过滤。然后直流电压通过斩波器，将电压转换为高频脉冲序列。最后，波通过另一个整流器和滤波器，将其转换回直流电 (DC) 并消除在到达输出之前可能存在的任何剩余交流电 (AC) 分量（参见图 3）。

　　在高频下工作时，变压器的电感器能够传输更多功率而不会达到饱和，这意味着磁芯可以变得越来越小。因此，用于切换 AC/DC 电源以将电压幅度降低到预期值的变压器可能只是线性 AC/DC 电源所需变压器尺寸的一小部分。

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　　图 3：开关模式 AC/DC 电源框图

　　正如所料，这种新的设计方法确实有一些缺点。

　　开关 AC/DC 电源转换器会在系统中产生大量噪声，必须对其进行处理以确保其不会出现在输出端。这就需要更复杂的控制电路，这反过来又增加了设计的复杂性。尽管如此，这些滤波器由易于集成的组件组成，因此不会显着影响电源的尺寸。

　　更小的变压器和提高开关AC/DC 电源的稳压器效率是我们现在可以使用手掌大小的电源转换器将 220V-RMS 交流电压转换为 5V 直流电压的原因。

　　表 1总结了线性和开关 AC/DC 电源之间的差异。

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