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2016.06.01 AC/DC

所谓开关方式

AC/DC的基础

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

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。 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。

F图6:以PWM为例,开关方式DC/DC转换的原理

图6:以PWM为例,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。

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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,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。

AC/DC转换的基础