浅谈AC/DC线性电源与开关电源

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。

（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VAC。

• 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: 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。

（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。

总结

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。

编辑：黄飞