了解電源IC中的交流和直流電源

ID:988595 · 發表于 2022-4-11 10:19

電源是一種電氣設備，它將來自電源（如電源）的電流轉換為為負載（如電機或電子設備）供電所需的電壓和電流值。
電源的目標是以適當的電壓和電流為負載供電。電流必須以受控的方式（并具有精確的電壓）提供給各種負載，有時是同時提供，所有這些都不會讓輸入電壓或其他連接設備的變化影響輸出。
電源可以是外部的，常見于筆記本電腦和手機充電器等設備，也可以是內部的，例如臺式計算機等大型設備。
電源可以是穩壓的，也可以是非穩壓的。在穩壓電源中，輸入電壓的變化不會影響輸出。另一方面，在非穩壓電源中，輸出取決于輸入的任何變化。
所有電源都有一個共同點，那就是它們從輸入端的電源獲取電力，以某種方式轉換它，并將其輸送到輸出端的負載。輸入和輸出端的功率可以是交流電（AC）或直流電（DC）：

當電流沿一個恒定方向流動時，就會發生直流電（DC）。它通常來自電池，太陽能電池或AC/DC轉換器。直流是電子設備的首選電源類型。
交流電（AC）在電流周期性地反轉其方向時發生。交流電是用于通過輸電線路向家庭和企業輸送電力的方法

因此，如果交流是輸送到您家中的電源類型，而DC是您需要為手機充電的電源類型，那么您將需要AC/DC電源，以便將來自電網的交流電壓轉換為為手機電池充電所需的直流電壓。

了解交流電（AC）
任何電源設計的第一步都是確定輸入電流。在大多數情況下，電網的輸入電壓源是交流電壓源。交流電的典型波形是正弦波（見圖1）。

圖1：交流波形和基本參數

使用交流電源時，必須考慮以下幾個指標：

峰值電壓/電流：波可以達到的最大振幅值
頻率：波每秒完成的周期數。完成單個周期所需的時間稱為周期。
平均電壓/電流：一個周期內電壓所經過的所有點的平均值。在沒有疊加直流電壓的純交流波中，該值將為零，因為正負兩半相互抵消。
電壓/電流的均方根：定義為瞬時電壓平方的一個周期內均值的平方根。
它也可以定義為產生相同加熱效果所需的等效直流功率。盡管定義復雜，但它被廣泛用于電氣工程，因為它可以讓您找到交流電壓或電流的有效值。因此，它有時表示為VAC。
相位：兩個波之間的角差。正弦波的完整循環分為360°，從0°開始，在90°（正峰值）和270°（負峰值）處具有峰值，并在180°和360°處兩次穿過起始點。如果將兩個波繪制在一起，并且一個波達到其正峰的同時另一個波達到其負峰，則第一波將在90°，而第二波將在270°;這意味著相位差為180°。這些波被認為是反相的，因為它們的值總是有相反的符號。如果相位差為0°，那么我們說兩個波是相位的。

交流電（AC）是電力從發電設施傳輸到最終用戶的方式。它用于電力運輸，因為在運輸過程中需要多次轉換電力。
發電機產生約40，000V或40kV的電壓。然后將該電壓升壓至150kV至800kV之間的任何位置，以減少長距離傳輸電流時的功率損耗。一旦到達目的地區域，電壓就會降壓到4kV至35kV之間。最后，在電流到達單個用戶之前，根據位置的不同，將其降低到120V或240V。
所有這些電壓變化對于直流電（DC）來說要么是復雜的，要么是非常低效的，因為線性變壓器依賴于電壓波動來傳遞和轉換電能，因此它們只能使用交流電（AC）。

線性與開關交流/直流電源
線流/直流電源
線性AC/DC電源具有簡單的設計
通過使用變壓器，交流（AC）輸入電壓降低到更適合預期應用的值。然后，將降低的交流電壓整流并轉換為直流（DC）電壓，該電壓被濾波以進一步改善波形質量（圖2）。

圖2：線性AC/DC電源框圖

傳統的線性AC/DC電源設計多年來不斷發展，在效率、功率范圍和尺寸方面有所提高，但這種設計存在一些重大缺陷，限制了其集成。
線性AC/DC電源的一個巨大限制是變壓器的尺寸。由于輸入電壓在輸入端發生變換，因此必要的變壓器必須非常大，因此非常重。
在低頻（例如50Hz）下，需要大電感值才能將大量功率從初級線圈傳輸到次級線圈。這需要大型變壓器磁芯，這使得這些電源的小型化幾乎是不可能的。
線性AC/DC電源的另一個限制是大功率電壓調節。
線性AC/DC電源使用線性穩壓器來保持輸出端的恒定電壓。這些線性穩壓器以熱量的形式消耗任何額外的能量。對于低功耗，不會造成太大問題。然而，對于高功率，穩壓器為保持恒定輸出電壓而必須散發的熱量非常高，并且需要添加非常大的散熱器。

開關交流/直流電源
新的設計方法已經開發出來，以解決與線性或傳統AC/DC電源設計相關的許多問題，包括變壓器尺寸和電壓調節。
由于半導體技術的發展，特別是由于大功率MOSFET晶體管的創建，開關電源現在成為可能，即使存在大電壓和電流，也可以非常快速有效地打開和關閉。
開關式AC/DC電源可創建更高效的電源轉換器，從而不再消耗多余的功率。
使用開關電源轉換器設計的 AC/DC 電源稱為開關模式電源。AC/DC開關模式電源將交流電源轉換為DC的方法稍微復雜一些。
在開關交流電源中，輸入電壓不再降低;相反，它在輸入端被糾正和過濾。然后直流電壓通過斬波器，斬波器將電壓轉換為高頻脈沖序列。最后，波經過另一個整流器和濾波器，將其轉換回直流電（DC），并消除在到達輸出之前可能存在的任何剩余的交流電（AC）分量（見圖3）。
在高頻下工作時，變壓器的電感器能夠在不達到飽和的情況下傳輸更多功率，這意味著磁芯會變得越來越小。因此，用于切換AC/DC電源以將電壓幅度降低到預期值的變壓器可以是線性AC/DC電源所需變壓器尺寸的一小部分。

圖3：開關模式AC/DC電源框圖

正如預期的那樣，這種新的設計方法確實有一些缺點。
開關AC/DC電源轉換器會在系統中產生大量噪聲，必須對其進行處理以確保輸出端不存在噪聲。這就產生了對更復雜的控制電路的需求，這反過來又增加了設計的復雜性。然而，這些濾波器由易于集成的組件組成，因此不會對電源的尺寸產生重大影響。
更小的變壓器和更高的穩壓器效率在切換AC/DC電源時，是我們現在可以使用可以放在手掌中的電源轉換器將220V¬RMS AC電壓轉換為5V DC電壓的原因。

單相與三相電源
交流（AC）電源可以是單相或三相：

三相電源由三根導體（稱為線路）組成，每根導體攜帶相同頻率和電壓幅度的交流電（AC），但相對相位差為120°，即三分之一個周期（見圖4）。這些系統在提供大量電力方面效率最高，因此用于將電力從發電設施輸送到世界各地的家庭和企業。
單相電源是向單個家庭或辦公室提供電流的首選方法，以便在線路之間均勻分配負載。在這種情況下，電流從電源線流過負載，然后流回中性線。這是大多數裝置中發現的供應類型，但大型工業或商業建筑除外。單相系統無法將盡可能多的電力傳遞給負載，并且更容易發生電源故障，但單相電源還允許使用更簡單的網絡和設備。

圖4：三相電源交流波形

通過三相電源傳輸電力有兩種配置：三角形(Δ)和wye（Y）構型，也分別稱為三角形和星形構型。
這兩種配置之間的主要區別在于能夠添加中性線（見圖5）。
Delta連接提供更高的可靠性，但Y型連接可以提供兩種不同的電壓：相電壓（供應給家庭的單相電壓）和線路電壓（用于為較大負載供電）。在Y配置中，相電壓（或相電流）與線路電壓（或線路電流）之間的關系是線路電壓（或電流）幅度比相位幅度大√3倍。
由于標準配電系統必須同時為三相和單相系統供電，因此大多數配電網絡都有三條線路和一條中性線。這樣，家庭和工業機械都可以使用相同的傳輸線供電。因此，Y配置最常用于配電，而delta配置通常用于為三相負載（如大型電動機）供電。

圖5：Y和Delta三相配置

電網向用戶提供單相電力的電壓具有各種值，具體取決于地理位置。這就是為什么在購買或使用電源之前檢查電源的輸入電壓范圍非常重要，以確保其設計為在您所在地區的電網中工作。否則，您可能會損壞電源或連接到電源的設備。

如前所述，三相電源不僅用于運輸，還用于為大型負載供電，例如電動機或為大型電池充電。這是因為在三相系統中并聯應用功率可以將更多的能量傳遞給負載，并且由于三相的重疊，可以更均勻地這樣做（見圖6）。

圖6：單相（左）和三相（右）系統中的電力傳輸

例如，為電動汽車（EV）充電時，您可以傳輸到電池的電量決定了電池的充電速度。
單相充電器插入交流電（AC）電源，并通過汽車的內部AC/ DC電源轉換器（也稱為車載充電器）轉換為直流電（DC）。這些充電器的功率受到電網和交流插座的限制。
限制因地區而異，但對于32A插座，限制通常小于 7kW（在歐盟，220 x 32A = 7kW）。另一方面，三相電源在外部將電源從交流電轉換為直流電，并且可以將超過120kW的功率傳輸到電池，從而實現超快速充電。

總結
交流/直流電源無處不在。AC/DC電源的主要工作是將交流電（AC）轉換為穩定的直流（DC）電壓，然后可用于為不同的電氣設備供電。
交流電用于在整個電網中傳輸電力，從發電機到最終用戶。交流（AC）電路可以配置為單相或三相系統。單相系統更簡單，可以提供足夠的電力來為整個房屋供電，但三相系統可以以更穩定的方式提供更多的電力，這就是為什么它們經常用于為工業應用供電的原因。
設計高效的AC/DC電源并非易事，因為當前市場需要能夠在各種負載下保持效率的高功率、極高效、極小的電源。
AC/DC電源的設計方法隨著時間的推移而改變。線性AC/DC電源在尺寸和效率上受到限制，因為它們在低頻下工作，并通過以熱量形式消散多余的能量來調節輸出溫度。相比之下，開關電源已經變得非常流行，因為它們使用開關穩壓器將交流電源轉換為直流電源。開關電源以更高的頻率工作，并且比以前的設計更有效地轉換電能，這使得能夠創建手掌大小的大功率AC/DC電源IC。

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