【电源工程师们的必备知识】AC转DC与DC转AC详细介绍

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。

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，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1.5km，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。

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，因此必须先了解其架构。

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。

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）。

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，最终转换成纹波较小的DC电压。整流后的DC电压是指AC的峰值电压(AC×√2)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。

虽然是转换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μF。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。

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。

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。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。

总而言之，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。

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。

前文已针对采用变压器方式和开关方式AC/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。

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。

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DC/DC转换器相同”完全一样。效率方面的情况也是如此，采用开关方式时，由于只须扣除必要的功率，因此能提升效率，如此一来自然可以抑制发热。

至于设计，必须配合效率、尺寸和成本，但如果能先理解方式不同造成的差异，以及各方式的优缺点，就可以选出优化的方式。近年来，AC适配器面临到待机功率的问题，但只要采用开关方式，就有望顺利解决该问题。