了解交流電（AC）

【資料圖】

進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，首先需要確定輸入電流。大多數(shù)電網(wǎng)的輸入電壓源都是交流電。

交流電的典型波形為正弦波。

（圖1: 交流電波形及其基本參數(shù)）

使用交流電源時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)指標(biāo)：

? 峰值電壓/電流：波形可以達(dá)到的最大振幅值

? 頻率：每秒的波形循環(huán)變化數(shù)量。完成一次循環(huán)變化所需的時(shí)間稱為周期。

? 平均電壓/電流：一個(gè)周期內(nèi)所有電壓點(diǎn)的平均值。在沒有疊加直流電壓的純交流波形中，該值為零，因?yàn)檎?fù)兩半的值相互抵消。

? 均方根電壓/電流：一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)電壓平方的均方根。在純交流正弦波中，其值可以通過公式（1）計(jì)算：

? 均方根值也可以定義為產(chǎn)生相同熱效應(yīng)所需的等效直流功率。盡管這個(gè)定義較為復(fù)雜，但通過它能夠得到交流電壓或電流的有效值，因此該定義已廣泛應(yīng)用于電氣工程領(lǐng)域。有時(shí)它被表示為VAC。

? 相位：兩個(gè)波形之間的角度差。正弦波的一個(gè)完整周期為360°，從0°開始，在90°（正峰）和270°（負(fù)峰）處出現(xiàn)峰值，并在180°和360°處與起點(diǎn)有兩次交叉。如果將兩個(gè)波形繪制在一起，在一個(gè)波形達(dá)到其正峰值的同時(shí)，另一個(gè)波形達(dá)到其負(fù)峰值，則第一個(gè)波形峰值位于90°，而第二個(gè)波形峰值位于270°。這意味著兩個(gè)波形相位差為180°，這種情形稱為反相，因?yàn)樗鼈兊闹凳冀K符號(hào)相反。如果相位差為0°，則稱兩個(gè)波形為同相。

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。它被用于電力傳輸，是因?yàn)樵趥鬏斶^程中電力需要多次轉(zhuǎn)換。

發(fā)電設(shè)施產(chǎn)生的電壓約為40,000V（即40kV），該電壓隨后被升壓到150kV至800kV之間的任意值，以減少長距離傳輸電流產(chǎn)生的功耗。一旦到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，電壓就會(huì)降低至4kV至35kV之間。最后，在電流到達(dá)各個(gè)用戶之前，電壓會(huì)再降低至120V或240V，具體取決于位置。

對(duì)直流電（DC）而言，實(shí)現(xiàn)所有這些電壓變化要么很復(fù)雜，要么效率低下。線性變壓器是依靠電壓波動(dòng)來傳遞和轉(zhuǎn)換電能的，所以，它們只能采用交流電（AC）工作。

AC/DC線性電源與開關(guān)電源

AC/DC線性電源

AC/DC線性電源設(shè)計(jì)簡單。

AC/DC線性電源通過變壓器將交流電（AC）輸入電壓降低到更適合預(yù)期應(yīng)用的值；然后，對(duì)降低的交流（AC）電壓進(jìn)行整流變?yōu)橹绷鳎―C）電壓；最后對(duì)其進(jìn)行濾波以進(jìn)一步改善波形質(zhì)量。

（圖2: AC/DC線性電源功能框圖）

傳統(tǒng)的AC / DC線性電源設(shè)計(jì)多年來不斷發(fā)展，在效率、功率范圍和尺寸方面都得到很大改善。但這種設(shè)計(jì)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線性電源的輸入電壓是在輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，因此需要的變壓器體積非常大，也非常重。

在低頻（例如50Hz）下，它需要較大的電感值才能將大量功率從初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈，這需要很大的變壓器鐵芯。因此，這類電源的小型化幾乎不可能。

AC / DC線性電源的另一個(gè)限制是大功率的電壓調(diào)節(jié)。

AC / DC線性電源使用線性穩(wěn)壓器來保持輸出端的電壓恒定。這些線性穩(wěn)壓器以熱量的形式耗散多余的能量。這在低功率下不會(huì)造成太大問題，但對(duì)大功率而言，穩(wěn)壓器為了維持恒定的輸出電壓需要耗散的熱量將非常高，這需要添加巨型散熱器。

AC/DC開關(guān)電源

為了解決線性或傳統(tǒng)AC / DC電源設(shè)計(jì)相關(guān)的許多問題，包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)問題，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出了新的設(shè)計(jì)方法，這就是開關(guān)電源。

開關(guān)電源的出現(xiàn)得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率MOSFET晶體管的出現(xiàn)。這種晶體管即使在大電壓和大電流下也可以非常快速、高效地導(dǎo)通或關(guān)斷。

AC / DC開關(guān)電源能夠創(chuàng)建效率更高的電源變換器，而無需消耗額外的功率。

使用開關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)的AC / DC電源稱為開關(guān)模式電源，它采用一種稍為復(fù)雜的方式將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

在開關(guān)交流電源中，輸入電壓不會(huì)被降低，而是在輸入端就對(duì)其進(jìn)行整流和濾波。然后，直流電壓通過斬波器，由斬波器將電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖序列。最后，通過另一個(gè)整流器和濾波器將脈沖序列轉(zhuǎn)換回直流（DC）電壓，并清除到達(dá)輸出之前可能存在的任何剩余交流分量（請(qǐng)參見圖3）。

在高頻下運(yùn)行時(shí)，變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會(huì)達(dá)到飽和，這意味著鐵芯可以越來越小。因此，AC / DC開關(guān)電源中用于將電壓幅度減小到預(yù)期值的變壓器尺寸，可以僅為AC / DC線性電源所需變壓器尺寸的一小部分。

（圖3: 開關(guān)模式AC/DC電源功能框圖）

可以預(yù)料，這種新的設(shè)計(jì)方法也存在一些缺陷。

AC / DC開關(guān)電源變換器會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量噪聲，必須對(duì)其進(jìn)行處理以確保噪聲不會(huì)在輸出端出現(xiàn)，這就需要更加復(fù)雜的控制電路，從而增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。好在這些濾波器由易于集成的器件組成，因此不會(huì)對(duì)電源尺寸產(chǎn)生較大影響。

正是因?yàn)锳C / DC開關(guān)電源中更小的變壓器和不斷提高的穩(wěn)壓器效率，現(xiàn)在我們才能通過手掌大小的電源變換器就將220V RMS交流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓。

總結(jié)

AC / DC電源無處不在，其主要工作是將交流電壓（AC）轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流（DC）電壓，從而為不同的電氣設(shè)備供電。

交流電用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)中，從發(fā)電設(shè)施到最終用戶的電力傳輸。交流（AC）電路可以配置為單相或三相系統(tǒng)。單相系統(tǒng)較簡單，可以為整個(gè)家庭提供足夠的電力；三相系統(tǒng)能夠以更穩(wěn)定的方式提供更多的電力，因此經(jīng)常用于工業(yè)應(yīng)用的供電。

設(shè)計(jì)高效的AC / DC電源并非易事，因?yàn)槭袌鲂枰軌蛟诟鞣N負(fù)載條件下均保持高效的大功率微型電源。

AC / DC電源的設(shè)計(jì)方法隨著時(shí)間不斷變遷。AC / DC線性電源受其尺寸和效率的限制，因?yàn)樗ぷ饔诘皖l條件，并通過熱量的形式耗散多余的能量以此來調(diào)節(jié)輸出溫度。相比之下，開關(guān)電源更加流行，它通過開關(guān)穩(wěn)壓器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，它在更高頻率下工作，其電源轉(zhuǎn)換的效率遠(yuǎn)高于以前的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)掌上大功率AC / DC電源。

編輯：黃飛