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1、AC/DC 的基础在此将说明 AC（交流）电压转换成 DC（直流）电压的基本方法，变压器方式和开关方式。此外，也将进行变压器方式和开关方式的比较探讨总述。首先，“为何必须 AC/DC 转换？” 让我们先回到原点。图 1众所周知，日本的家庭或大楼的主要供电是 AC 的 100V 或 200V。然而，大多数电器通过其中的电子电路操作，几乎都是利用 5V 和 3.3V 的 DC 电压工作。其中虽然有电机设备和白炽灯炮等，直接以 AC 电压驱动的设备，但最近电机和开关等较为单纯的设备，几乎无可避免地，都会配备电子控制电路，且全部的电子控制电路都以 DC 电压驱动。此外，市场也逐渐将白炽灯炮换成 LED
2、，只是如同大家所知般，LED 基本上仍是以 DC 驱动的。也就是说，“从送电网传送过来的是 AC，但因为相当于电子产品心脏的电子电路，是以 DC 驱动的，因此如果不将AC 电压转换成 DC 电压，将无法启动电子产品”。以上是回答。相信大家会觉得“这样的话，一开始传送 DC 电源不就好了？”，但其实传送 AC 电源，是有其历史背景因素和理由的。各位应该知道爱迪生在 1881 年时，发明了安装白炽灯泡的电灯。其实在当时的美国境内，是以供应 DC 电源为标准，爱迪生为了推广白炽灯泡，开始投入推行 DC 110V 送电网的事业。然而，传送 DC 电源时，会造成电压大幅度下降，因此传送范围无法超过 1.
3、5km，导致发电厂必须建造在街道的中。这话现在难以置信。尼古拉特斯拉考察 AC 的发电、送电、使用方法，和爱迪生之间开始了电流战争。最后特斯拉方以能够轻易变压，且即使电线又细又长，传送电力时也不会造成太大损耗的 AC 系统获得胜利，而该结果也一直延续到现在。AC 的优点 AC 电源只要使用变压器，就能轻松转换电压（升压、降压）。 传送电力时能保持高电压/低电流，减轻电压下降的现象（I2R 损耗）。 能轻易将 AC 电源转换成 DC 电源，易于供应电力 DC 驱动设备。其实发电厂送出数千至 2 万 V 的 AC 高电压后，在传送到一般住户前，再通过电线杆上的变压器，降压至 100V 和 200V
4、。这是题外话，现阶段住宅内的插座供应 AC 电源，所以各设备必须自行安装 AC/DC 转换电路才行。对于该部分，从节能化和小型化的观点来看，不得不说多此一举，在最近各地测试运转和研究的智慧家居构想中，也曾考虑从住宅内的插座，直接供应 DC 电源的系统。虽然如此，但不代表电力送电网的设施能急速转变成 DC，或者不必 AC/DC 转换。在该系统内，供应 DC电源的家庭供电装置，仍须设定高功率和效率的大功率 AC/DC 转换器，以及在附近安装中功率的 AC/DC 转换器。那么，再来谈论另一个基本知识。在前述内容中提到“能轻易从 AC 转变成 DC”，但这属于“整流”作用，为 AC/DC 转换的根本，
5、因此必须先了解其架构。图 2图 2 为属于整流基本种类的全波整流，以及半波整流的作用。无论哪方，都是将输入的 AC 电压和二极管相接，抓到负向波的振幅。半波整流只使用 1 个二极管，来抓到负向波的振幅，因此负向波消失，只剩下一半的波形，故称半波。全波整流使用了由 4 个二极管组成的桥式二极管，能旋转负向波，让它出现在正向波区域内，而能显示全波形的就是 DC。DC 化之后，利用电容器让波形平滑。但即使波形平滑仍会残存纹波（Ripple：脉流），其振幅纹波电压会因为电容器的容值和负载而出现变化。当电容器的容值和负载相同时，全波整流和半波整流相比，反而是全波整流的纹波电压会变小。关键要点:从电子电路
6、来看，AC/DC 转换是 DC 电源的根本，因此必须先掌握住基础理论。变压器方式作为 AC/DC 转换的方法之一，也就是安装变压器，以变压器为主的方法。图 3 是采用变压器方式的一般构造。在此以输入电压 100VAC 为例。通过变压器，将 100VAC 降压（变压）至可获得所需 DC 电压的 AC 电压值。这一部分称为 AC/AC 转换。利用调整变压器一次侧和二次侧的线圈，来设定变压值（发生在变压器二次侧的降压值）。图 3:变压器方式的 AC/DC 转换如果，输入输出间必需绝缘时，可利用变压器绝缘。而且，利用二极管桥式整流器将已经降压的 AC 电压转换成 DC，接着用电容器加以平滑，最终转换成
7、纹波较小的 DC 电压。整流后的 DC 电压是指 AC 的峰值电压(AC2)减去二极管的正向电压后的数值。当不必确保输出稳定时，就可以将 DC 电压作为输出电压。电压的初期值取决于变压器的匝数比，负载电流越增加，电压越降低。必须确保输出稳定时，使用稳压器稳定电压。此时，将变压器二次侧的电压，设定成适合利用稳压器转换的电压。例如最后设定12VDC，整流后的电压为 18VDC，就能抑制电压损耗，不会因为工作而变低，但也不会因此变高。变压器方式使用部件使用变压器方式的 AC/DC 转换实际的部件示例。图 4:变压器方式的 AC/DC 转换使用部件例由左至右分别是变压器、二极管桥式整流器、电解电容器虽
8、然是转换 AC/AC 的变压器，但 AC 的频率为 50/60Hz，因此必须使用低频变压器。设计电源用变压器，称为电源变压器或商用频率用变压器(商用变压器 )等。请将变压器的大小（体积）考虑成和电源输出功率量成正比。我们身边最常见到的例子就是 AC 适配器，电流容量的越大，也越大越重。变压器的基本构造是指被称为 Core 的铁芯和一次及二次的线圈所组成。铁芯一般以硅钢片制造而成。二极管桥式整流器是连接 4 个整流用二极管，并一体化封装。形状除了照片所示范例外，还有SIP 和 DIP 的方形封装。此外，也可以使用 4 个整流二极管组装成桥式二极管。二极管也有随容许电流增大尺寸增大的倾向。至于电容
9、器，基本上使用电解电容器。所需电容值会因负载或可容许纹波而变化，但大致上约数百数千 F。电源输出功率愈大，电容器的体积就会愈大。在产生一般电子电路电源电压的电路中，只有变压器能处理高电压。其他部件选择符合所制作dDC 电压的额定值产品。此变压器方式是指以往最常使用的方式。关键要点: AC/DC 转换是基础中的基础。转换后尚未稳定的 DC 电压，以取出负载就会下降为前提进入下一個设计阶段。开关方式使用开关元件的 AC/DC 转换方式如图 5 所示。开关方式为一开始先用桥式二极器，整流 100VAC。变压器方式，会先利用变压器降低AC/AC 电压，但开关方式却是直接整流高 AC 电压。因此，桥式二
10、极管必须能够承受高电压。100VAC 的峰值约 140V 左右。再以电容器使其平滑。这部分同样使用高电压规格品。接着，通过开关元件 ON/OFF 斩波(切分)高 DC 电压，并经由高频变压器，将电能传送至二次侧。此时的 ON/OFF 频率，也就是开关频率，使用比输入 AC 频率 50/60Hz 高出许多的数十kHz，然后再转换成呈现如图 5 般方波的 AC。图 5:开关方式的 AC/DC 转换利用二次侧的整流二极管，整流该高频率 AC 电压，接着以电容器使其平滑后，再转换成设定的 DC 输出电压。图片中省略了高频率 AC 电压的整流波形，但它是使用 1 个二极管的半波整流，因此请各位参照图 2
11、。 此外，转换成需要的 DC 电压时，必须设定如图 5 般的开关元件控制电路。（此电路构造为反激式的范例。反激式留待后述。）切分高 DC 电压转换成 AC，之后再通过整流-平滑，转换成低 DC 电压的方法，和一般采用开关方式转换 DC/DC 相同。此进一步细分采用开关 DC/DC 转换的过程，就是先从 DC 开关成AC 后，再开关至 DC。另外，使用 3 引脚的线性稳压器转换 DC/DC 时，就只是单纯将 DC 转换成 DC 而已。整流-平滑后以开关 DC/DC 转换原理先说明整流 AC 后再转换成 DC 的原理，并在之后约略解说一下采用开关方式转换 DC/DC 的原理。图 6:以 PWM 为
12、例，开关方式 DC/DC 转换的原理图 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
13、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。总而言的，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
14、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。图 7:PWM 开关方式 AC/DC 转换器的部件和安装例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
15、，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。关键要点:比变压器方式复杂许多，但为近年的主流。利用控制 IC，能简化设计。前文已针对采用变压器方式和开关方式 AC/
16、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。图 8:变压器方式 AC/DC 转换图 9:开关方式 AC/DC 转换图 10:变压器方式和开关方式的比较如果比较电路构造，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。图 11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
