AC-DC｜基礎篇

所謂開關方式

2016.03.30

重點

・比變壓器方式複雜許多，但為近幾年的主流。

・利用控制IC，能簡化設計。

使用開關元件轉換AC-DC的方式如圖5所示。

開關方式為一開始先用橋式二極器，整流100VAC。使用變壓器時，會先利用變壓器降低AC/AC電壓，但開關方式卻是直接整流高AC電壓。因此，橋式二極體必須能夠承受高電壓。100VAC的峰值約140V左右。

再來以電容使其平滑。這部分同樣使用高電壓規格品。

接著，藉由開關元件ON/OFF截斷(切分)高DC電壓，並經由高頻變壓器，將能量傳送至二次側。此時的ON/OFF頻率，也就是開關頻率，使用比輸入AC頻率50/60Hz高出許多的數十kHz，然後再轉換成呈現如圖5般方形波的AC。

圖5:採用開關方式轉換AC-DC

利用二次側的整流二極體，整流此一高頻率AC電壓，接著以電容使其平滑後，再轉換成設定的DC輸出電壓。圖片中省略了高頻率AC電壓的整流波形，但它是使用1個二極體的半波整流，因此請各位參照圖2。另外，變換成需要的DC電壓時，必須設置如圖5般的開關元件控制電路。 (此電路構造為返馳式的範例。返馳式留待後述。)

切分高DC電壓轉換成AC，之後再藉由整流-平滑，轉換成低DC電壓的方法，和一般採開關方式轉換DC-DC相同。在此進一步細分採開關方式轉換DC-DC的過程，就是先從DC開關成AC後，再開關至DC。另外，使用3端子的線性穩壓器轉換DC-DC時，就只是單純將DC轉換成DC而已。

整流-平滑後以開關方式轉換DC-DC的原理

先說明整流AC後再轉換成DC的原理，並在之後約略解說一下採開關方式轉換DC-DC的原理。

Figure 6. Principles of switching system-based DC-DC conversion taking PWM as an example

圖6: 以PWM為例，說明採用開關方式轉換DC-DC的原理

圖6是利用代表性的控制方式PWM(Pulse Width Modulation:脈衝寬度調變)加以降壓的原理。PWM是讓周期(頻率)保持一定，調整ON和OFF的時間比，也就是工作週期(duty cycle)來進行控制的方式，能運用在多種應用裝置上。採用PWM時，經由開關將DC電壓轉換成達到必要工作週期的AC後，接著再進行整流回到DC，以取得想要的DC電壓。例如經由開關將100VDC轉換成周期25%ON、剩下OFF的25:75之AC。接著，整流-平滑該AC，亦即將其均勻化後轉換成DC，電壓就會轉換成相當於25%的25VDC。事實上，DC-DC轉換屬於功率轉換，必須提升轉換效率，雖然不必如圖片般配置，但仍須遵照其原理。此外，負載電流若增加，電壓就會下降，反而必須增加控制電路的脈衝寬度，並將電壓回復到設定值，進行回饋控制，因此脈衝寬度無法保持固定。

總而言之，AC-DC轉換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑後，轉換成DC，再將該DC轉換成高頻率的AC，接著重複整流-平滑步驟，轉換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比，必須重複AC-DC轉換2次，讓人覺得非常複雜。的確是有些複雜，但優點大於缺點，因此近年來採用開關方式的AC-DC轉換器日漸增加。至於有哪些優點則留待後述。

使用開關方式的零件和安裝範例

圖7的照片是採用開關方式，轉換AC-DC時所必要的零件和回路安裝範例。基本構造和圖5相同，將輸出電壓反饋至PWM控制電路上，藉此穩定控制。

AC_fig_7-1AC_fig_7-2

圖7:PWM採用開關方式時， AC-DC轉換器的零件和安裝範例

部品和前述的變壓器方式相似，但橋式二極體、一次側的電解電容、開關元件(電晶體)，全部採用可因應高電壓的規格品。

必須以數十kHz的高頻率才能驅動的變壓器，我們稱為高頻變壓器或開關式變壓器。開關式變壓器的線圈，一般都是使用鐵氧體(Ferrite)。

開關元件基本上會使用電晶體，有功率電晶體或開關電晶體等多種名稱，但則以開關電源用的高功率MOSFET最為普遍。開關電晶體必須配合輸出功率選擇適合的規格，但當輸出功率不太時，就能夠使用內建開關電晶體的控制IC，減少零件數量。

至於穩定輸出電壓的控制電路，可以使用電晶體和運算放大器等單獨的元件組成電路。然而，最近除了正確、穩定控制外，也開始提供各種保護功能，因此愈來愈多裝置採用AC-DC轉換用IC。尤其是在電路機板上安裝AC-DC電源時，設計電路上以AC-DC轉換器用IC為中心會較為實際。另外，該電路的控制IC是安裝在機板背面下方正中央旁邊。雖然SOP8是非常小的封裝，但除了控制功能外，還具備了多種保護功能。

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【下載資料】 AC-DC轉換器的基礎及設計步驟

本資料非常適合提供給剛開始接觸AC-DC轉換器設計的新人工程師。內容詳細說明了AC-DC轉換的基礎以及各種轉換方法、AC-DC轉換器設計步驟以及課題。

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