什么是 AC-DC 轉換器
電力在電線上傳輸的方式有兩種：一種是直流電 (DC)，以非振蕩恒定電壓單向流動；另一種是交流電 (AC)，由于振蕩電壓而來回流動。交流電是傳輸電力的主要方式，因為它比直流電具有多種優勢，包括較低的配電成本，以及由于變壓器的發明，電壓等級之間的轉換方式更簡單。
交流電以高壓遠距離傳輸，然后轉換為低壓，是家庭中更高效、更安全的電源。根據位置不同，高壓范圍從 4kV（千伏）到 765kV。提醒一下，家庭交流電源范圍從 110V 到 250V，具體取決于您居住在世界的哪個地方。在美國，典型的交流主線電壓為 120V。
AC-DC 轉換器將交流電（其電壓也交替變化）引導至電感器 (L) 和電容器 (C) 等無功阻抗元件，并將其存儲和集成。此過程將與正電位和負電位相關的功率分離。
濾波器用于平滑存儲的能量，從而為其他電路創建直流電源。這種電路可以采用多種形式，但始終包含相同的基本元件，并且可能具有一個或多個轉換階段。
圖 1 中所示的 AC-DC 轉換器稱為“正向轉換器”，其效率比稍微簡單一些的架構“反激式轉換器”更高。
雖然沒有詳細討論，但反激式轉換器與正向式轉換器的不同之處在于，其操作取決于電路中變壓器氣隙中存儲的能量。除了這一差異外，它們可以使用相同的基本模塊。
交流-直流轉換器圖 1：功能框圖
圖 1：正向轉換器 AC/DC 電源功能框圖
輸入過濾塊
輸入濾波器很重要，因為它可以防止電源開關元件產生的噪聲返回到主電源。它還可以防止主電源上的噪聲進入后續電路。濾波器通過 50/60Hz 主頻率，并衰減可能存在的高頻噪聲和諧波。
與 AC-DC 轉換器的其他部件一樣，電容器和電感器等電抗元件發揮著頻率選擇性抑制的重要作用。電容器不通過直流，可以串聯使用（作為直流阻斷“高通濾波器”元件），也可以并聯使用（將高頻分流到地面，防止它們進入轉換器）。
輸入濾波塊通常還包括一個壓敏電阻或變阻器，以防止電網上的高壓尖峰損壞電源。這是圖 1 中輸入端帶有對角線的矩形框。常見的變阻器類型是金屬氧化物變阻器 (MOV)。任何超過設備“鉗位電壓”的電壓都會導致 MOV 導電，分流高壓尖峰并抑制浪涌。
整改
簡單的 AC-DC 轉換器由輸入濾波后的變壓器組成，然后將其傳遞到整流器以產生直流電。在這種情況下，整流發生在變壓器之后，因為變壓器不傳遞直流電。然而，許多 AC/DC 轉換器使用更復雜的多級轉換拓撲（如圖 1 所示），因為它具有變壓器要求更小和回傳到主電源的噪聲更低的優勢。
整流器使用半導體器件來實現，這些器件有條件地只在一個方向上傳導電流，例如二極管。更復雜的半導體整流器包括晶閘管。可控硅整流器 (SCR) 和交流三極管 (TRIAC) 類似于繼電器，因為少量電壓可以控制較大電壓和電流的流動。
這些器件的工作方式是，只有當控制“門”被輸入信號觸發時，它們才會導通。通過在交流波形流動時在正確的時間打開或關閉器件，電流被引導以產生直流分離。有許多電路可以做到這一點，從交流波形中抽取的信號用作控制信號，設置晶閘管打開或關閉的相位象限。這就是換向，可以是自然的（就簡單的二極管而言），也可以是強制的（就更復雜的器件而言）。
高效電源可以使用 MOSFET 等有源器件作為此類電路中的開關。使用更復雜的拓撲的原因通常是為了提高效率、降低噪音或充當電源控制。
二極管在導通時會產生固有電壓降。這會導致功率在二極管中耗散，但其他有源元件的電壓降可能低得多，因此功率損耗也較低。SCR 和 TRIAC 電路在低成本電源控制電路中特別常見，例如下面的調光器示例 - 用于在輸入電源交替時直接控制和控制輸送到負載的電流。
請注意，當電路中沒有變壓器時，這些實現不是電流性的——只在適當的電路中有用，例如直接連接電源的燈光控制。它們還用于高功率工業和電源，在這些電源中簡單性和堅固性至關重要
圖 2：基于 SCR 的轉換
功率因數校正 (PFC)
這是轉換器難理解的方面。PFC 是提高轉換器效率的重要元素，它通過校正電流與電壓波形的相對相位來保持功率因數。它降低了轉換器可能呈現給主電源的“無功負載”特性。
這對于維持高質量、高效的電網至關重要，電力供應公司甚至可以對功率因數較差的客戶征收特殊的無功電流費率。無源或有源 PFC 是指使用有源元件還是無源元件來校正相位關系。
半導體 PFC 可以指帶有集成控制器的專用 IC，專門用于主動監控和調整 PFC 電路，從而減少元件數量并簡化整體設計，同時獲得更高的性能。它們可以整合其他功能，例如過壓/欠壓保護、過流保護、軟啟動和故障檢測/響應。
圖 1 所示的轉換器是單級 PFC 轉換器。本節中的電容器用于存儲該級脈動輸入功率和相對恒定輸出功率之間的不平衡能量。有關此內容的更多詳細信息，請參閱“無功能量存儲”部分。兩級 PFC 轉換器通常被使用，因為它們不必處理通用電源中存儲電容器上的寬電壓范圍，這會對轉換效率產生不利影響。它們還可以在電容器尺寸方面提供更好的權衡，這有助于降低成本。
AC-DC 轉換器功率級
功率級控制通過變壓器從初級側傳輸到次級側的功率。它由一個有源開關裝置組成，該裝置以高達數百 kHz 的高頻進行切換。開關的開/關狀態由脈沖寬度調制 (PWM) 輸入控制，該輸入會根據需要動態傳輸到負載的功率量而變化。
該信息由次級側的反饋路徑獲得，該反饋路徑可通過多種技術進行通信，以滿足轉換器的隔離要求。更高的開關頻率可減少變壓器需求，從而降低尺寸和成本。
變壓器
變壓器由繞在公共磁芯上的導線組成，這些導線通過電磁感應相互耦合。這在連接到高壓（主電源）電源時非常重要——這被稱為“離線”轉換，因為電感耦合會將主電源與后續電路斷開，這比直接連接要安全得多。
通過電磁場而不是直接銅電路進行耦合，稱為“電流隔離”，將可能導致電擊或危險火花放電的能量限制在變壓器磁場通量線中存儲的能量內。變壓器存儲能量的能力（與尺寸和材料有關）是轉換器設計中的一個重要考慮因素，因為它決定了變壓器在變化的負載條件下提供能量以維持所需電壓電位的能力。
您可以在我們的變壓器理論教程中找到詳細信息并了解有關變壓器的更多信息。
圖 1 中有一個名為“Mag Amp Reset”的塊，它與變壓器的消磁有關，這是由于架構中固有的磁化電流造成的。如果沒有這個塊，磁芯材料的剩磁會在功率級 PWM 的幾個周期內使其飽和。雖然這個附加電路太復雜，無法在本教程中介紹，但在查看轉換器電路圖時，這個附加電路可能會非常令人困惑，了解為什么需要它很有用。
有許多技術可以執行消磁，簡單的方法是當功率級開關關閉時，消磁電流通過單獨的輔助繞組反饋到二極管。該電路將 PWM 占空比限制為 50%，但可以使用更復雜的方法來實現更高的占空比。
變壓器或其他電流隔離方法（如光耦合器）經常用于在初級側和次級側之間傳遞信息信號。這是為了便于對轉換過程進行更復雜的控制——使初級側控制電路能夠響應次級側負載的狀態，并動態改變其控制電流的方式，從而降低噪聲并提高效率。
AC-DC 轉換器輸出電路
如濾波部分所述，電容器和電感器等無源電抗（存儲）元件中的電場會存儲能量。在電荷控制整流之后使用時，它們在交流輸入功率周期中充當能量儲存器。這是轉換器中的一個重要元件，因為這種能量儲存器充當電源 - 能夠在變化的負載條件下實現恒定的輸出電壓。
有源元件可感應負載上的電壓和/或流入負載的電流，并在負反饋控制回路中使用此信息來調節注入這些存儲元件的能量，以保持恒定的輸出電壓水平。此泵送過程使用有源元件來打開和關閉流入存儲元件的電流，這在廣義的調節概念中有所提及。
規定
我們需要為負載電路提供恒定電壓，而不管負載的動態阻抗如何。否則，可能會出現過壓或欠壓情況，導致電路行為異常甚至損壞電路。低壓數字電子設備尤其如此，因為電源電壓必須嚴格限制在標稱值的百分之幾的范圍內。電抗元件對此沒有任何內置控制。AC/DC 轉換器實現嚴格控制的輸出電壓范圍的方式是通過有條件地控制存儲在低阻抗電抗存儲源中的能量。
隨著這些元件的功率消耗，電壓輸出將隨時間而變化，并且可能因器件的非理想特性（如串聯電阻或寄生電容）而產生變化。需要某種動態控制來為該電源充電。這稱為調節。微處理器等負載在執行不同操作時會改變其所需的功率，這加劇了對主動動態調節的需求。
調節控制是一種控制開關元件的反饋電路。在這種情況下，開關元件位于轉換器的初級側。為了使開關高效，它必須處于開啟（盡可能低的阻抗）或關閉（盡可能高的阻抗）狀態——因為在兩種狀態之間會導致通過開關的功率被耗散和浪費。像 MOSFETS 這樣的半導體開關并不理想，并且會表現出一定的阻抗，它們會耗散能量，從而降低轉換效率。
實際上，控制開關的方法只有兩種：通過改變開關打開或關閉的占空比，稱為脈沖寬度調制 (PWM)，或控制打開或關閉的頻率。非諧振模式轉換器采用硬開關技術，而諧振模式轉換器采用更智能的軟開關技術。
軟開關意味著在零電壓或零電流點打開或關閉交流波形，從而消除開關損耗并實現非常高效的架構。同步整流等技術用 MOSFET 等有源開關元件取代整流二極管。控制與輸入交流波形同步的開關使 MOSFET 能夠在正確的時間以非常低的導通電阻和較小的壓降進行傳導 - 與二極管整流相比，效率更高。
調節電路如何知道何時切換？控制模式有兩種主要方法：電壓控制和電流控制。調節器利用其中一種或兩種方法的組合來調節提供給負載電路的電壓。
電壓控制模式
調節電路檢測輸出電壓，將其與參考電壓進行比較以產生誤差函數。誤差信號修改開關比，使輸出更接近所需水平。這是簡單的控制方法。
電流控制模式
輸出電壓和電感電流均被感測，并且兩者的組合用于控制占空比。這種內部“電流感測環路”能夠加快對負載變化的響應時間，但比電壓控制模式更復雜。
除了控制方法之外，調節元件的進一步復雜化是轉換器作為換向周期的方式，這被稱為連續或不連續操作模式。連續操作模式是指電感器電流永遠不會降至零（如果轉換器拓撲具有此模式）。
這是一種輸出紋波較低、噪聲較低的工作模式，但由于電感始終處于導通狀態，因此它總是會在其非理想串聯導通損耗中耗散一些能量。在非連續模式下，電感電流可以降至零，從而使負載從存儲電容器中獲取能量。這是一種效率較高的工作模式，但可能具有更多的紋波和較差的調節控制。
AC-DC 轉換器的類型
正如簡要提到的，有幾種與其拓撲相關的轉換器類型，包括反激式和降壓反激式架構。這些是常見的拓撲，因為它們包含變壓器，元件數量少，并且相對于其他選項成本較低。
反激式轉換器通常是降壓-升壓 AC-DC 轉換器（升壓/降壓），其中電感器被變壓器取代。變壓器內部存儲的能量用于通過有源或無源整流電路對次級進行換向。常見的反激式轉換器類型采用不連續模式 (DCM) - 變壓器中流動的電流趨于零 - 因為這通常具有簡單的控制環路和的成本。連續電流模式 (CCM) 反激式轉換器需要更高的功率水平，但由于連續導通會導致更高的變壓器繞組損耗。
許多電源根據負載水平在模式之間切換。反激式拓撲上的準諧振 (QR) 和谷底開關/可變頻率變化是更復雜的電路，可優化開關時間和方式以提高效率。QR 反激式通過回收非理想漏電感的能量來實現這一點，谷底開關可減少過沖引起的尖峰。它們通常用于低功率應用。
