AC/DC 电源介绍

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电源是什么？

电源是将来自能量源（如供电网）的电流转换为负载（如电机或电子设备）用电所需的电压和电流值的电气设备。

电源的目的是以适当的电压和电流为负载供电。因此电流必须以受控的方式（以及准确的电压）提供给各式各样的负载，有时还需要同时提供给所有负载。在这个过程中，输入电压或其他连接设备的变化不能影响其输出。

电源可以是外部电源，例如笔记本电脑和手机充电器等设备的电源；也可以是内部电源，例如台式计算机等大型设备的电源。

无论哪种电源，它们的共同点是从输入端的能量源获取电能，并以某种方式对其进行转换，再将能量提供给输出端的负载。

输入和输出端的电力可以是交流电（AC）或直流电（DC）的形式：

当电流沿一个恒定方向流动时，将产生直流电（DC）。它通常来自电池、太阳能电池或AC / DC变换器。直流电是电子设备的首选电源类型。
电流周期性反转将产生交流电（AC）。通过电力传输线向家庭和企业供电时采用交流电。

可以想见，如果交流电是提供给住宅的电源类型，而直流电是用于手机充电的电源类型，那么您将需要一个AC/DC电源，以便将来自电网的交流电压转换为直流电压来为手机电池充电。

了解交流电（AC）

进行电源设计，首先需要确定输入电流。大多数电网的输入电压源都是交流电。

交流电的典型波形为正弦波（见图1）。`

图1: 交流电波形及其基本参数

使用交流电源时，需要考虑以下几个指标：

• 峰值电压/电流：波形可以达到的最大振幅值
• 频率：每秒的波形循环变化数量。完成一次循环变化所需的时间称为周期。
• 平均电压/电流：一个周期内所有电压点的平均值。在没有叠加直流电压的纯交流波形中，该值为零，因为正负两半的值相互抵消。
• 均方根电压/电流：一个周期内瞬时电压平方的均方根。在纯交流正弦波中，其值可以通过公式（1）计算：
• 均方根值也可以定义为产生相同热效应所需的等效直流功率。尽管这个定义较为复杂，但通过它能够得到交流电压或电流的有效值，因此该定义已广泛应用于电气工程领域。有时它被表示为V_AC。
• 相位：两个波形之间的角度差。正弦波的一个完整周期为360°，从0°开始，在90°（正峰）和270°（负峰）处出现峰值，并在180°和360°处与起点有两次交叉。如果将两个波形绘制在一起，在一个波形达到其正峰值的同时，另一个波形达到其负峰值，则第一个波形峰值位于90°，而第二个波形峰值位于270°。这意味着两个波形相位差为180°，这种情形称为反相，因为它们的值始终符号相反。如果相位差为0°，则称两个波形为同相。

交流电（AC）是电力从发电设施传输到最终用户的方式。它被用于电力传输，是因为在传输过程中电力需要多次转换。

发电设施产生的电压约为40,000V（即40kV），该电压随后被升压到150kV至800kV之间的任意值，以减少长距离传输电流产生的功耗。一旦到达目标区域，电压就会降低至4kV至35kV之间。最后，在电流到达各个用户之前，电压会再降低至120V或240V，具体取决于位置。

对直流电（DC）而言，实现所有这些电压变化要么很复杂，要么效率低下。线性变压器是依靠电压波动来传递和转换电能的，所以，它们只能采用交流电（AC）工作。

AC/DC线性电源与开关电源

AC/DC线性电源

AC/DC线性电源设计简单。

AC/DC线性电源通过变压器将交流电（AC）输入电压降低到更适合预期应用的值；然后，对降低的交流（AC）电压进行整流变为直流（DC）电压；最后对其进行滤波以进一步改善波形质量（图2）。

图2: AC/DC线性电源功能框图

传统的AC / DC线性电源设计多年来不断发展，在效率、功率范围和尺寸方面都得到很大改善。但这种设计存在一些重大缺陷限制了其集成度。

它最大的限制是尺寸。由于AC/DC线性电源的输入电压是在输入端进行转换的，因此需要的变压器体积非常大，也非常重。

在低频（例如50Hz）下，它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，这需要很大的变压器铁芯。因此，这类电源的小型化几乎不可能。

AC / DC线性电源的另一个限制是大功率的电压调节。

AC / DC线性电源使用线性稳压器来保持输出端的电压恒定。这些线性稳压器以热量的形式耗散多余的能量。这在低功率下不会造成太大问题，但对大功率而言，稳压器为了维持恒定的输出电压需要耗散的热量将非常高，这需要添加巨型散热器。

AC/DC开关电源

为了解决线性或传统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问题，业界已经开发出了新的设计方法，这就是开关电源。

开关电源的出现得益于半导体技术的发展，尤其是大功率MOSFET晶体管的出现。这种晶体管即使在大电压和大电流下也可以非常快速、高效地导通或关断。

AC / DC开关电源能够创建效率更高的电源变换器，而无需消耗额外的功率。

使用开关电源变换器设计的AC / DC电源称为开关模式电源，它采用一种稍为复杂的方式将交流电转换为直流电。

在开关交流电源中，输入电压不会被降低，而是在输入端就对其进行整流和滤波。然后，直流电压通过斩波器，由斩波器将电压转换为高频脉冲序列。最后，通过另一个整流器和滤波器将脉冲序列转换回直流（DC）电压，并清除到达输出之前可能存在的任何剩余交流分量（请参见图3）。

在高频下运行时，变压器电感能够传输更多的功率而不会达到饱和，这意味着铁芯可以越来越小。因此，AC / DC开关电源中用于将电压幅度减小到预期值的变压器尺寸，可以仅为AC / DC线性电源所需变压器尺寸的一小部分。

Switched-Mode AC/DC Power Supply Block Diagram

图3: 开关模式AC/DC电源功能框图

可以预料，这种新的设计方法也存在一些缺陷。

AC / DC开关电源变换器会在系统中产生大量噪声，必须对其进行处理以确保噪声不会在输出端出现，这就需要更加复杂的控制电路，从而增加了设计的复杂性。好在这些滤波器由易于集成的器件组成，因此不会对电源尺寸产生较大影响。

正是因为AC / DC开关电源中更小的变压器和不断提高的稳压器效率，现在我们才能通过手掌大小的电源变换器就将220V RMS交流电压转换为5V直流电压。

表1总结了AC / DC线性电源和开关电源之间的区别。

	AC / DC线性电源	AC / DC开关电源
尺寸和重量	需要大型变压器，这增加了尺寸和重量。	如果需要，高频下也允许使用更小的变压器。
效率	如果未稳压，变压器损耗将是影响效率的唯一关键因素。如果加以稳压，则大功率应用将对效率产生关键影响。	其晶体管类似于小电阻，因此开关损耗很小，这使它适用于高效率、大功率应用。
噪音	未稳压的电源可能会因电压纹波而产生很大的噪声，但稳压后的AC/DC线性电源可能产生的噪声极低，因此它们通常被用于医学传感应用。	当晶体管开关速度极快时，会在电路中产生噪声。但这些噪声可以被滤除；或者，对于音频应用，可以将开关频率设置得极高，超过人类的听觉极限。
复杂性	与AC / DC开关电源相比， AC / DC线性电源往往具有更少的组件和更简单的电路。	变压器产生的额外噪声导致需要增加大型、复杂的滤波器以及变换器的控制和调节电路。

表1：线性电源与开关电源的比较

单相电源与三相电源

交流（AC）电源可以是单相或者三相：

三相电源由三个导体（线）组成，每条线承载的交流电（AC）具有相同的频率和电压幅度，但相互之间相位差为120°，即一个周期的三分之一（请参见图4）。这种系统在输送大量电力方面效率最高，因此可用于将发电设施产生的电力输送到世界各地的家庭和企业。
单相电源是向单个家庭或办公室供电的首选方法，它可以在线路之间平均分配负载。在这种情况下，电流从电源线流经负载，然后再返回零线。这是除大型工业或商业建筑以外大多数设施的供电类型。不过，单相系统无法将尽可能多的功率传递给负载，而且更容易出现电源故障，但它也允许使用更简单的网络和设备。

图4: 三相电源交流电波形

三相电源采用两种配置来传输电力：Δ型和Y型配置，也称为三角形和星形配置。

这两种配置之间的主要区别在于是否能够添加零线（请参见图5）。

三角形连接可靠性更高，但星型连接可提供两种不同的电压：相电压（即为家庭供电的单相电压）和线电压（用于为更大的负载供电）。在星型配置中，线电压（或线电流）是相电压（或相电流）的√3倍。

因为标准配电系统必须同时向三相和单相系统供电，所以大多数配电网络都具有三线和零线。这样，用相同的传输线可以同时为住宅和工业机械供电。因此，星型配置是最常用的配电配置方式，而三角形配置通常用于为三相负载（例如大型电机）供电。

图5:三相电源的星形和三角形配置

不同地区的电网为用户提供的单相电源电压值可能不同。因此，在购买或使用电源之前，需要检查电源的输入电压范围，以确保其可以在您所在地区的电网中正常工作，否则将可能损坏电源或与之相连的设备。

表2比较了全球不同地区的电网电压。

RMS (AC) 电压	峰值电压	频率	地区
230V	310V	50Hz	欧洲、非洲、亚洲、澳大利亚、新西兰和南美
120V	170V	60Hz	北美
100V	141V	50Hz/60Hz	日本*

*由于19世纪后期的电气化革命，日本国家电网中存在两种频率。在关西城市大阪，电力供应商从美国购买了60Hz发电机；而在关东的东京，则购买了50Hz的德国发电机。双方都拒绝更改频率，因此直到今天日本供电系统中仍然有两种频率：关东地区为50Hz，关西地区为60Hz。

如前所述，三相电源不仅用于传输，还可以为大型负载（如电机或大型电池充电）供电。这是因为在三相系统中并行施加电源可以将更多的能量传输到负载，而且三相的重叠可以实现更均匀的传输（请参见图6）。

Power Transmission in Single-Phase (Left) and Three-Phase (Right) Systems

图6：单相（左）和三相（右）系统中的电力传输

例如，在为电动汽车（EV）充电时，能够传递给电池的电量决定了其充电速度。

单相充电器插入交流（AC）电源，并通过汽车内部的AC / DC电源变换器（也称为车载充电器）将交流电转换为直流电（DC）。这些充电器的电力受电网和AC插座的限制。

这种限制因国家和地区而异，但通常32A插座的功率小于7kW（在欧洲，220 x 32A = 7kW）。而三相电源在外部将电源从交流电转换为直流电，可以将120kW以上的电力传输给电池，从而实现超快速充电。

Summary

AC / DC电源无处不在，其主要工作是将交流电压（AC）转换为稳定的直流（DC）电压，从而为不同的电气设备供电。

交流电用于实现整个电网中，从发电设施到最终用户的电力传输。交流（AC）电路可以配置为单相或三相系统。单相系统较简单，可以为整个家庭提供足够的电力；三相系统能够以更稳定的方式提供更多的电力，因此经常用于工业应用的供电。

设计高效的AC / DC电源并非易事，因为市场需要能够在各种负载条件下均保持高效的大功率微型电源。

AC / DC电源的设计方法随着时间不断变迁。AC / DC线性电源受其尺寸和效率的限制，因为它工作于低频条件，并通过热量的形式耗散多余的能量以此来调节输出温度。相比之下，开关电源更加流行，它通过开关稳压器将交流电转换为直流电，它在更高频率下工作，其电源转换的效率远高于以前的设计，可以实现掌上大功率AC / DC电源。