標(biāo)題: 了解電源IC中的交流和直流電源 [打印本頁(yè)]
作者: xiachu    時(shí)間: 2022-4-11 10:19
標(biāo)題: 了解電源IC中的交流和直流電源
電源是一種電氣設(shè)備，它將來(lái)自電源（如電源）的電流轉(zhuǎn)換為為負(fù)載（如電機(jī)或電子設(shè)備）供電所需的電壓和電流值。
電源的目標(biāo)是以適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳛樨?fù)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(fù)載，有時(shí)是同時(shí)提供，所有這些都不會(huì)讓輸入電壓或其他連接設(shè)備的變化影響輸出。
電源可以是外部的，常見(jiàn)于筆記本電腦和手機(jī)充電器等設(shè)備，也可以是內(nèi)部的，例如臺(tái)式計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備。
電源可以是穩(wěn)壓的，也可以是非穩(wěn)壓的。在穩(wěn)壓電源中，輸入電壓的變化不會(huì)影響輸出。另一方面，在非穩(wěn)壓電源中，輸出取決于輸入的任何變化。
所有電源都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們從輸入端的電源獲取電力，以某種方式轉(zhuǎn)換它，并將其輸送到輸出端的負(fù)載。輸入和輸出端的功率可以是交流電（AC）或直流電（DC）：
因此，如果交流是輸送到您家中的電源類(lèi)型，而DC是您需要為手機(jī)充電的電源類(lèi)型，那么您將需要AC/DC電源，以便將來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換為為手機(jī)電池充電所需的直流電壓。


了解交流電（AC）
任何電源設(shè)計(jì)的第一步都是確定輸入電流。在大多數(shù)情況下，電網(wǎng)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(jiàn)圖1）。
圖1：交流波形和基本參數(shù)
使用交流電源時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)指標(biāo)：
交流電（AC）是電力從發(fā)電設(shè)施傳輸?shù)阶罱K用戶的方式。它用于電力運(yùn)輸，因?yàn)樵谶\(yùn)輸過(guò)程中需要多次轉(zhuǎn)換電力。
發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(zhǎng)距離傳輸電流時(shí)的功率損耗。一旦到達(dá)目的地區(qū)域，電壓就會(huì)降壓到4kV至35kV之間。最后，在電流到達(dá)單個(gè)用戶之前，根據(jù)位置的不同，將其降低到120V或240V。
所有這些電壓變化對(duì)于直流電（DC）來(lái)說(shuō)要么是復(fù)雜的，要么是非常低效的，因?yàn)榫€性變壓器依賴(lài)于電壓波動(dòng)來(lái)傳遞和轉(zhuǎn)換電能，因此它們只能使用交流電（AC）。


線性與開(kāi)關(guān)交流/直流電源
線流/直流電源
線性AC/DC電源具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)
通過(guò)使用變壓器，交流（AC）輸入電壓降低到更適合預(yù)期應(yīng)用的值。然后，將降低的交流電壓整流并轉(zhuǎn)換為直流（DC）電壓，該電壓被濾波以進(jìn)一步改善波形質(zhì)量（圖2）。
圖2：線性AC/DC電源框圖
傳統(tǒng)的線性AC/DC電源設(shè)計(jì)多年來(lái)不斷發(fā)展，在效率、功率范圍和尺寸方面有所提高，但這種設(shè)計(jì)存在一些重大缺陷，限制了其集成。
線性AC/DC電源的一個(gè)巨大限制是變壓器的尺寸。由于輸入電壓在輸入端發(fā)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(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)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(gè)限制是大功率電壓調(diào)節(jié)。
線性AC/DC電源使用線性穩(wěn)壓器來(lái)保持輸出端的恒定電壓。這些線性穩(wěn)壓器以熱量的形式消耗任何額外的能量。對(duì)于低功耗，不會(huì)造成太大問(wèn)題。然而，對(duì)于高功率，穩(wěn)壓器為保持恒定輸出電壓而必須散發(fā)的熱量非常高，并且需要添加非常大的散熱器。

開(kāi)關(guān)交流/直流電源
新的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，以解決與線性或傳統(tǒng)AC/DC電源設(shè)計(jì)相關(guān)的許多問(wèn)題，包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)。
由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是由于大功率MOSFET晶體管的創(chuàng)建，開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)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(kāi)和關(guān)閉。
開(kāi)關(guān)式AC/DC電源可創(chuàng)建更高效的電源轉(zhuǎn)換器，從而不再消耗多余的功率。
使用開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的 AC/DC 電源稱(chēng)為開(kāi)關(guān)模式電源。AC/DC開(kāi)關(guān)模式電源將交流電源轉(zhuǎn)換為DC的方法稍微復(fù)雜一些。
在開(kāi)關(guān)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(guò)濾。然后直流電壓通過(guò)斬波器，斬波器將電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖序列。最后，波經(jīng)過(guò)另一個(gè)整流器和濾波器，將其轉(zhuǎn)換回直流電（DC），并消除在到達(dá)輸出之前可能存在的任何剩余的交流電（AC）分量（見(jiàn)圖3）。
在高頻下工作時(shí)，變壓器的電感器能夠在不達(dá)到飽和的情況下傳輸更多功率，這意味著磁芯會(huì)變得越來(lái)越小。因此，用于切換AC/DC電源以將電壓幅度降低到預(yù)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(kāi)關(guān)模式AC/DC電源框圖
正如預(yù)期的那樣，這種新的設(shè)計(jì)方法確實(shí)有一些缺點(diǎn)。
開(kāi)關(guān)AC/DC電源轉(zhuǎn)換器會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量噪聲，必須對(duì)其進(jìn)行處理以確保輸出端不存在噪聲。這就產(chǎn)生了對(duì)更復(fù)雜的控制電路的需求，這反過(guò)來(lái)又增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。然而，這些濾波器由易于集成的組件組成，因此不會(huì)對(duì)電源的尺寸產(chǎn)生重大影響。
更小的變壓器和更高的穩(wěn)壓器效率在切換AC/DC電源時(shí)，是我們現(xiàn)在可以使用可以放在手掌中的電源轉(zhuǎn)換器將220V¬RMS AC電壓轉(zhuǎn)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：
圖4： 三相電源交流波形
通過(guò)三相電源傳輸電力有兩種配置：三角形(Δ)和wye（Y） 構(gòu)型，也分別稱(chēng)為三角形和星形構(gòu)型。
這兩種配置之間的主要區(qū)別在于能夠添加中性線（見(jiàn)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(yīng)給家庭的單相電壓）和線路電壓（用于為較大負(fù)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(guān)系是線路電壓（或電流）幅度比相位幅度大√3倍。
由于標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)必須同時(shí)為三相和單相系統(tǒng)供電，因此大多數(shù)配電網(wǎng)絡(luò)都有三條線路和一條中性線。這樣，家庭和工業(yè)機(jī)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(fù)載（如大型電動(dòng)機(jī)）供電。
圖5：Y和Delta三相配置

電網(wǎng)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(gòu)買(mǎi)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(shè)計(jì)為在您所在地區(qū)的電網(wǎng)中工作。否則，您可能會(huì)損壞電源或連接到電源的設(shè)備。

如前所述，三相電源不僅用于運(yùn)輸，還用于為大型負(fù)載供電，例如電動(dòng)機(jī)或?yàn)榇笮碗姵爻潆�。這是因?yàn)樵谌嘞到y(tǒng)中并聯(lián)應(yīng)用功率可以將更多的能量傳遞給負(fù)載，并且由于三相的重疊，可以更均勻地這樣做（見(jiàn)圖6）。
圖6：?jiǎn)蜗啵ㄗ螅┖腿啵ㄓ遥┫到y(tǒng)中的電力傳輸
例如，為電動(dòng)汽車(chē)（EV）充電時(shí)，您可以傳輸?shù)诫姵氐碾娏繘Q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(guò)汽車(chē)的內(nèi)部AC/ DC電源轉(zhuǎn)換器（也稱(chēng)為車(chē)載充電器）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）。這些充電器的功率受到電網(wǎng)和交流插座的限制。
限制因地區(qū)而異，但對(duì)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(zhuǎn)換為直流電，并且可以將超過(guò)120kW的功率傳輸?shù)诫姵�，從而�?shí)現(xiàn)超快速充電。

總結(jié)
交流/直流電源無(wú)處不在。AC/DC電源的主要工作是將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流（DC）電壓，然后可用于為不同的電氣設(shè)備供電。
交流電用于在整個(gè)電網(wǎng)中傳輸電力，從發(fā)電機(jī)到最終用戶。交流（AC）電路可以配置為單相或三相系統(tǒng)。單相系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，可以提供足夠的電力來(lái)為整個(gè)房屋供電，但三相系統(tǒng)可以以更穩(wěn)定的方式提供更多的電力，這就是為什么它們經(jīng)常用于為工業(yè)應(yīng)用供電的原因。
設(shè)計(jì)高效的AC/DC電源并非易事，因?yàn)楫?dāng)前市場(chǎng)需要能夠在各種負(fù)載下保持效率的高功率、極高效、極小的電源。
AC/DC電源的設(shè)計(jì)方法隨著時(shí)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?yàn)樗鼈冊(cè)诘皖l下工作，并通過(guò)以熱量形式消散多余的能量來(lái)調(diào)節(jié)輸出溫度。相比之下，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)變得非常流行，因?yàn)樗鼈兪褂瞄_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。開(kāi)關(guān)電源以更高的頻率工作，并且比以前的設(shè)計(jì)更有效地轉(zhuǎn)換電能，這使得能夠創(chuàng)建手掌大小的大功率AC/DC電源IC。






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