干貨｜詳解AC/DC、DC/DC轉換器

首先，我們過(guò)一下AC（交流）和DC（直流）的概念。

何謂AC

Alternating Current（交流）的首字母縮寫(xiě)。

AC是大小和極性（方向）隨時(shí)間呈周期性變化的電流。

電流極性在1秒內的變化次數被稱(chēng)為頻率，以Hz為單位表示。

何謂DC

Direct Current（直流）的首字母縮寫(xiě)。

DC是極性（方向）不隨時(shí)間變化的電流。

• 流動(dòng)極性（方向）和大小皆不隨時(shí)間變化的電流通常被稱(chēng)為DC。

• 流動(dòng)極性不隨時(shí)間變化，但大小隨時(shí)間變化的電流也是DC，通常被稱(chēng)為紋波電流 (Ripple current)。

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AC/DC轉換器

何謂AC/DC轉換器？

AC/DC轉換器是指將AC（交流電壓）轉換成DC（直流電壓）的元件。

為什么需要AC/DC轉換器？

那是因為家庭住宅和樓房接收到的電壓是100V或200V的AC電壓。然而大家大部分使用的電器是在5V或3.3V的DC電壓下工作的。也就是說(shuō)，如果不把AC電壓轉換成DC電壓，電器就不能工作。

其中也有電機、燈泡等可以用交流電壓驅動(dòng)的產(chǎn)品，但電機與微控制器的控制電路連在一起，燈泡也變成節能LED，因此有必要進(jìn)行ACDC轉換。

為什么傳輸的是AC電壓？

可能有人會(huì )認為“既然電器使用的是DC，那為什么不一開(kāi)始就傳輸DC？”

總所周知，電力來(lái)自水力發(fā)電站、火力發(fā)電站、核電站等。這些發(fā)電站位于山區或沿海等地區，從這些地區傳輸到市區，AC電壓更有優(yōu)勢。

簡(jiǎn)而言之，通過(guò)以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓，可以減少傳輸損耗（能量損耗）。然而，在實(shí)際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過(guò)幾個(gè)變電站分階段進(jìn)行變壓（降壓），最后轉換成100V或200V后進(jìn)入家庭。這些轉換也因AC更簡(jiǎn)單，所以傳輸的是AC電壓。

全波整流和半波整流（AC/DC轉換）

將AC（交流電壓）轉換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來(lái)進(jìn)行整流，唯樣商城在售二極管，型號多樣，原廠(chǎng)授權正品現貨。

全波整流是通過(guò)二極管橋式電路結構將輸入電壓的負電壓成分轉換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。而半波整流是使用一個(gè)二極管來(lái)消除輸入負電壓成分后整流為直流電壓（脈沖電壓）。之后，利用電容器的充電和放電功能來(lái)平滑波形，從而轉換為純凈的直流電壓。

因此可以說(shuō)，與不利用輸入負電壓成分的半波整流相比，全波整流是更具高效率的整流方法。此外，平滑后的紋波電壓根據電容器容量和負載（LOAD）而變化。

全波整流和半波整流在相同的電容器容量和負載條件下，全波整流的紋波電壓更小。紋波電壓越小，穩定性越高、性能越優(yōu)。

AC/DC轉換方法

AC/DC轉換有變壓器方式和開(kāi)關(guān)方式。

• 變壓器方式

這是普通AC/DC轉換器的變壓器方式電路結構。

變壓器方法首先需要通過(guò)變壓器將交流電壓降壓到適當的交流電壓（例如，從AC100V降至AC10V等）。這屬于A(yíng)C/AC轉換，降壓值由變壓器的繞組比設定。

接下來(lái)，通過(guò)二極管橋式整流器對經(jīng)過(guò)變壓器降壓的交流電壓進(jìn)行全波整流，轉換為脈沖電壓。最后，經(jīng)電容器平滑并輸出紋波小的直流電壓，這是最傳統的AC/DC轉換方法。

下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。

• 開(kāi)關(guān)方式

這是普通AC/DC轉換器的開(kāi)關(guān)方式電路結構。

變壓器方式是首先通過(guò)變壓器進(jìn)行AC/AC降壓，而開(kāi)關(guān)方式是直接用二極管橋式整流器對交流電壓進(jìn)行整流。由于普通家庭的用電電壓為AC100V或AC200V，所以二極管橋式整流器必須具有可承受高電壓的規格。

接下來(lái)，用電容器平滑直流電壓（脈沖電壓）。電容器同樣需要耐高壓的電容器。然后，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件的ON/OFF對直流電壓進(jìn)行斬波（切割），并經(jīng)過(guò)高頻變壓器降壓后傳送到二次側。此時(shí)，斬波波形變?yōu)榉讲ā?/span>

與家用頻率（50/60Hz）相比，開(kāi)關(guān)元件使用的頻率更高（例如，100kHz）。由于高頻工作，所以可以實(shí)現變壓器的小型化、輕便化。

下圖顯示了開(kāi)關(guān)方式電壓波形的變化。

在二次側利用整流二極管對方波進(jìn)行半波整流，之后用電容器對其進(jìn)行平滑，并輸出直流電壓。

開(kāi)關(guān)方式是利用控制電路控制開(kāi)關(guān)元件，獲得穩定的預期的直流輸出（例如，DC12V）的方式。

與變壓器方式相比，開(kāi)關(guān)方式由開(kāi)關(guān)元件和控制電路組成，電路結構較復雜，但由于基于高頻控制可以使用小型變壓器，所以有助于設備小型化，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。

何謂反饋控制？

開(kāi)關(guān)式AC/DC轉換器通過(guò)確認實(shí)際輸出的DC電壓值，并根據該電壓信息對開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，從而確保穩定實(shí)現規定的DC輸出。這種確認該輸出電壓值以控制開(kāi)關(guān)元件的機制叫做反饋控制（FB控制）。

開(kāi)關(guān)式AC/DC轉換器通過(guò)二極管電橋對AC電壓進(jìn)行整流，再通過(guò)電容器實(shí)施平滑處理，將AC電壓轉換為DC電壓。然后，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件對該DC電壓進(jìn)行斬波（ON/OFF）后，通過(guò)高頻變壓器降壓后傳遞到2次側，再利用電容器進(jìn)行平滑處理，輸出規定的DC電壓（VDC）。

FB控制電路檢測實(shí)際輸出的該電壓值是否達到規定的目標電壓值。

實(shí)際輸出電壓值低于目標電壓值時(shí)，則會(huì )對開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行控制，使ON時(shí)間變長(cháng)。這樣，輸出電壓值就會(huì )上升。反之，高于目標電壓值時(shí)，則控制ON時(shí)間變短。

這樣，反饋控制電路常時(shí)對實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行確認，并根據該值調整開(kāi)關(guān)元件的ON/OFF時(shí)間，確保目標輸出電壓值的穩定。

何謂輕負載模式？

提高使用較少輸出電流時(shí)的效率的技術(shù)叫做輕負載模式。在DC/DC轉換器等中也叫脈沖串模式。

開(kāi)關(guān)式AC/DC及DC/DC轉換器通過(guò)ON/OFF轉換進(jìn)行電壓斬波和電容器平滑處理，以穩定提供目標輸出電壓值。但是，這種轉換在ON/OFF時(shí)會(huì )產(chǎn)生瞬間漏電流（貫通電流）。也就是說(shuō)，單位時(shí)間內的ON/OFF次數越多，漏電流導致的損失越大，效率越低。

周期恒定（PWM控制）時(shí)，即使ON/OFF時(shí)間比有變化，其次數在單位時(shí)間內也是恒定的。因此，自身功耗量也是恒定的，輕負載時(shí)這種轉換漏電流造成的損失會(huì )導致效率降低。故此，在使用電流少的情況下，通過(guò)頻率調制（PFM控制）將周期拉長(cháng)、變慢，從而減少單位時(shí)間內的ON/OFF轉換次數，以減少損失。這種技術(shù)就叫做輕負載模式。

根據狀況區分使用PWM和PFM可進(jìn)一步提高效率，如高負載（使用電流）時(shí)使用周期恒定的PWM控制，輕負載（不使用電流）時(shí)使用周期變化的PFM控制。

• PWM（脈寬調制）：頻率恒定，通過(guò)開(kāi)關(guān)ON從輸入電壓中調取輸出部分的控制方式。

• PFM（脈沖頻率調制）：通過(guò)固定ON時(shí)間、改變頻率（改變OFF時(shí)間）來(lái)調取輸出部分的方式。反之，也有固定OFF時(shí)間、改變ON時(shí)間的方式。

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PFM方式根據輸出電流量改變頻率，效率較高，但開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì )不定期發(fā)生噪音。這種頻率無(wú)法確定的噪音很難消除，要解決噪音，采用頻率恒定的PWM方式更容易操作。

這樣，噪音低的PWM和效率高的PFM可互為補充，高頻率驅動(dòng)的高負載（噪音發(fā)生較多）時(shí)采用PWM，電流使用較少的低負載時(shí)采用PFM，擇優(yōu)使用，即可盡可能提高效率。

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DC/DC轉換器

何謂DC/DC轉換器？

DC/DC轉換器是一種將DC（直流）轉換為DC（直流）的元件，具體是指利用DC（直流）轉換電壓的元件。（關(guān)注公眾號：硬件筆記本）IC等電子元件各自的工作電壓范圍不同，因此需要轉換為相應的電壓。

生成電壓低于初始電壓的轉換器被稱(chēng)為"降壓轉換器"；生成電壓高于初始電壓的轉換器被稱(chēng)為"升壓轉換器"。

名稱(chēng)說(shuō)明

DC/DC轉換器是指將直流轉換為直流的裝置的名稱(chēng)。

它常被稱(chēng)為線(xiàn)性穩壓器或開(kāi)關(guān)穩壓器等，以轉換方式的名稱(chēng)命名。

為何需要DC/DC轉換器？

插入插座進(jìn)行工作的電氣產(chǎn)品需要使用將AC（交流）100V轉換為DC（直流）的"AC/DC轉換器"。這是因為大部分半導體部件只能在DC下工作。整機電路板上搭載的IC等具有各自固有的工作電壓范圍，電壓精度要求也不同。通過(guò)電壓不穩的電源等供電會(huì )導致誤動(dòng)作或特性劣化等異常。因此，需使用"DC/DC轉換器"轉換為所需的電壓并實(shí)現穩定化。

通過(guò)DC/DC轉換器實(shí)現電壓穩定的裝置被稱(chēng)為電壓穩壓器。

電源IC種類(lèi)

電源IC大致分為線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器兩種。

作為其各自的輸出形式，線(xiàn)性穩壓器僅可降壓輸出比輸入電壓低的電壓。

開(kāi)關(guān)穩壓器則具有自由度，輸出形式包括以下4種：

• 降壓輸出比輸入電壓低的電壓

• 升壓輸出比輸入電壓高的電壓

• 升降壓輸出恒定電壓，與輸入電壓的高低無(wú)關(guān)

• 從正電壓反轉輸出負電壓

而且，開(kāi)關(guān)穩壓器的整流方式有同步整流和非同步整流（二極管整流）。

線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器

通過(guò)DC/DC轉換器實(shí)現電壓穩定的裝置被稱(chēng)為電壓穩壓器。

按轉換方式，電壓穩壓器分為線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器2種類(lèi)型。

• 線(xiàn)性穩壓

因工作時(shí)輸入與輸出的關(guān)系呈線(xiàn)型，故被稱(chēng)為"線(xiàn)性穩壓器"。

因輸入與輸出間串聯(lián)有控制元件，有時(shí)也被稱(chēng)為"串聯(lián)穩壓器"。

通過(guò)控制元件降壓，因此輸入與輸出的電壓差（降壓程度）越大損耗就越大，效率也越低。因此適用于小功率的電源。

優(yōu)點(diǎn)：

電路簡(jiǎn)單

外接部件少

噪音小

缺點(diǎn)：

效率低

發(fā)熱大

僅降壓型轉換器

• 開(kāi)關(guān)穩壓器

• 
  

接通開(kāi)關(guān)元件（MOSFET），從輸入端向輸出端供電，直至輸出電壓達到所需電壓。

輸出電壓達到規定值后，開(kāi)關(guān)元件即關(guān)閉，不再消耗輸入功率。

通過(guò)高速重復這一動(dòng)作，將輸出電壓調節到規定值。

優(yōu)點(diǎn)：

效率高

發(fā)熱小

可實(shí)現升壓/降壓/負電壓的轉換

缺點(diǎn)：

外置部件多

設計困難

噪音大

線(xiàn)性穩壓器的工作原理

一般的引腳構成

線(xiàn)性穩壓器基本上由VIN （輸入）、VO （輸出）、GND （接地）三個(gè)引腳構成。

在輸出可變的線(xiàn)性穩壓器上添加了用于反饋輸出電壓的FB（反饋引腳）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電壓固定型是內置了電壓可變型的外接電阻的穩壓器。

線(xiàn)性穩壓器的內部電路概要如下圖所示。

其工作原理與反相放大電路相同，誤差放大器的非反相引腳（FB）電壓與基準電壓 (VREF) 相同，因此輸出電壓值（VO）由兩個(gè)電阻（R1和R2）的阻值比決定。

VO=[ (R1+R2) / R2 ] x VREF

下圖的輸出晶體管為MOSFET，不過(guò)也有使用雙極晶體管的產(chǎn)品。

線(xiàn)性穩壓器的分類(lèi)

• 按功能分類(lèi)

• 
  

線(xiàn)性穩壓器按功能進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，首先可分為正電壓用和負電壓用兩種。

根據使用電路不同，也有不需要正電源，而需要負電源的產(chǎn)品。

若只有正側電源，（關(guān)注公眾號：硬件筆記本）則不能處理接地電位以下的電壓，不能將晶體管的輸出引腳的電壓分配至負電平。將控制晶體管裝入負輸出線(xiàn)，從而產(chǎn)生負電壓。

其次，還可分為電壓固定型和電壓可變型兩種。固定型由輸入、輸出、GND三個(gè)引腳構成，內置有輸出電壓設定用電阻。

可變型為GND基準型時(shí)，添加反饋引腳變成四個(gè)引腳?？勺冃椭幸灿袩o(wú)GND引腳的浮動(dòng)工作型，這種情況為三個(gè)引腳。

電壓固定型和電壓可變型之后還可分為標準型和LDO兩種。

LDO是Low Dropout的縮寫(xiě)，是降低了輸入輸出間電位差的線(xiàn)性穩壓器。標準型的輸入輸出間電位差最低也有約2V，而LDO可控制在1V以下。

何謂LDO？

LDO是Low Dropout的縮寫(xiě)，是即使較低的輸入輸出間電位差也可進(jìn)行工作的線(xiàn)性穩壓器。

有時(shí)也稱(chēng)為低損耗型線(xiàn)性穩壓器或低飽和型線(xiàn)性穩壓器。

關(guān)于LDO的輸入輸出間電位差并無(wú)數值性的定義，一般是指穩壓器穩定工作時(shí)最低電位差可控制在1V以下的穩壓器。

例如，對于需要3.3V電源的IC，由于標準型不可制作5V到3.3V電源，因此，需要輸入輸出間電位差較低的LDO。

這樣，LDO在輸出與標準型穩壓器相同的電壓時(shí)，（關(guān)注公眾號：硬件筆記本）也可設定較低的輸入電壓。

通過(guò)低電位差工作，可使能量損耗較少，可進(jìn)行抑制散熱等設計。

壓降

在線(xiàn)性穩壓器的內部，從VIN到VO間加入了晶體管，使此晶體管穩定工作所需的輸入輸出間最低電位差稱(chēng)為壓降。

輸入輸出間電壓差低于壓降時(shí)，晶體管難以維持穩定的工作，輸出電壓會(huì )降低。

這樣，為了使含有LDO的線(xiàn)性穩壓器工作，設定了所需的最低輸入電壓值，此時(shí)(VO + 壓降) 即為穩壓器的最低工作電壓值。

輸入電壓值 (VIN) 低于最低工作電壓時(shí)，輸出電壓不能穩定工作。