干貨｜詳解AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器

首先，我們過一下AC（交流）和DC（直流）的概念。

何謂AC

Alternating Current（交流）的首字母縮寫。

AC是大小和極性（方向）隨時間呈周期性變化的電流。

電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率，以Hz為單位表示。

何謂DC

Direct Current（直流）的首字母縮寫。

DC是極性（方向）不隨時間變化的電流。

• 流動極性（方向）和大小皆不隨時間變化的電流通常被稱為DC。

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

1

AC/DC轉(zhuǎn)換器

何謂AC/DC轉(zhuǎn)換器？

AC/DC轉(zhuǎn)換器是指將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換成DC（直流電壓）的元件。

為什么需要AC/DC轉(zhuǎn)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，如果不把AC電壓轉(zhuǎn)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(qū)動的產(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(jié)能LED，因此有必要進行ACDC轉(zhuǎn)換。

為什么傳輸?shù)氖茿C電壓？

可能有人會認為“既然電器使用的是DC，那為什么不一開始就傳輸DC？”

總所周知，電力來自水力發(fā)電站、火力發(fā)電站、核電站等。這些發(fā)電站位于山區(qū)或沿海等地區(qū)，從這些地區(qū)傳輸?shù)绞袇^(qū)，AC電壓更有優(yōu)勢。

簡而言之，通過以高電壓、低電流方式傳輸AC電壓，可以減少傳輸損耗（能量損耗）。然而，在實際家庭中，由于不能直接使用高電壓，所以需要通過幾個變電站分階段進行變壓（降壓），最后轉(zhuǎn)換成100V或200V后進入家庭。這些轉(zhuǎn)換也因AC更簡單，所以傳輸?shù)氖茿C電壓。

全波整流和半波整流（AC/DC轉(zhuǎn)換）

將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)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進行整流，唯樣商城在售二極管，型號多樣，原廠授權(quán)正品現(xiàn)貨。

全波整流是通過二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負電壓成分轉(zhuǎn)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二極管來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平滑波形，從而轉(zhuǎn)換為純凈的直流電壓。

因此可以說，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(jù)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(wěn)定性越高、性能越優(yōu)。

AC/DC轉(zhuǎn)換方法

AC/DC轉(zhuǎn)換有變壓器方式和開關(guān)方式。

• 變壓器方式

這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器方式電路結(jié)構(gòu)。

變壓器方法首先需要通過變壓器將交流電壓降壓到適當(dāng)?shù)慕涣麟妷海ɡ纾瑥腁C100V降至AC10V等）。這屬于AC/AC轉(zhuǎn)換，降壓值由變壓器的繞組比設(shè)定。

接下來，通過二極管橋式整流器對經(jīng)過變壓器降壓的交流電壓進行全波整流，轉(zhuǎn)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(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換方法。

下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。

• 開關(guān)方式

這是普通AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)方式電路結(jié)構(gòu)。

變壓器方式是首先通過變壓器進行AC/AC降壓，而開關(guān)方式是直接用二極管橋式整流器對交流電壓進行整流。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(guī)格。

接下來，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，通過開關(guān)元件的ON/OFF對直流電壓進行斬波（切割），并經(jīng)過高頻變壓器降壓后傳送到二次側(cè)。此時，斬波波形變?yōu)榉讲ā?/span>

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

下圖顯示了開關(guān)方式電壓波形的變化。

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

開關(guān)方式是利用控制電路控制開關(guān)元件，獲得穩(wěn)定的預(yù)期的直流輸出（例如，DC12V）的方式。

與變壓器方式相比，開關(guān)方式由開關(guān)元件和控制電路組成，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)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(shè)備小型化，這是它的一個很大的優(yōu)點。

何謂反饋控制？

開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過確認實際輸出的DC電壓值，并根據(jù)該電壓信息對開關(guān)元件進行控制，從而確保穩(wěn)定實現(xiàn)規(guī)定的DC輸出。這種確認該輸出電壓值以控制開關(guān)元件的機制叫做反饋控制（FB控制）。

開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過二極管電橋?qū)C電壓進行整流，再通過電容器實施平滑處理，將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。然后，通過開關(guān)元件對該DC電壓進行斬波（ON/OFF）后，通過高頻變壓器降壓后傳遞到2次側(cè)，再利用電容器進行平滑處理，輸出規(guī)定的DC電壓（VDC）。

FB控制電路檢測實際輸出的該電壓值是否達到規(guī)定的目標(biāo)電壓值。

實際輸出電壓值低于目標(biāo)電壓值時，則會對開關(guān)元件進行控制，使ON時間變長。這樣，輸出電壓值就會上升。反之，高于目標(biāo)電壓值時，則控制ON時間變短。

這樣，反饋控制電路常時對實際輸出電壓值進行確認，并根據(jù)該值調(diào)整開關(guān)元件的ON/OFF時間，確保目標(biāo)輸出電壓值的穩(wěn)定。

何謂輕負載模式？

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

開關(guān)式AC/DC及DC/DC轉(zhuǎn)換器通過ON/OFF轉(zhuǎn)換進行電壓斬波和電容器平滑處理，以穩(wěn)定提供目標(biāo)輸出電壓值。但是，這種轉(zhuǎn)換在ON/OFF時會產(chǎn)生瞬間漏電流（貫通電流）。也就是說，單位時間內(nèi)的ON/OFF次數(shù)越多，漏電流導(dǎo)致的損失越大，效率越低。

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

根據(jù)狀況區(qū)分使用PWM和PFM可進一步提高效率，如高負載（使用電流）時使用周期恒定的PWM控制，輕負載（不使用電流）時使用周期變化的PFM控制。

• PWM（脈寬調(diào)制）：頻率恒定，通過開關(guān)ON從輸入電壓中調(diào)取輸出部分的控制方式。

• PFM（脈沖頻率調(diào)制）：通過固定ON時間、改變頻率（改變OFF時間）來調(diào)取輸出部分的方式。反之，也有固定OFF時間、改變ON時間的方式。

• 
  

PFM方式根據(jù)輸出電流量改變頻率，效率較高，但開關(guān)時會不定期發(fā)生噪音。這種頻率無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(qū)動的高負載（噪音發(fā)生較多）時采用PWM，電流使用較少的低負載時采用PFM，擇優(yōu)使用，即可盡可能提高效率。

2

DC/DC轉(zhuǎn)換器

何謂DC/DC轉(zhuǎn)換器？

DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種將DC（直流）轉(zhuǎn)換為DC（直流）的元件，具體是指利用DC（直流）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。

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

名稱說明

DC/DC轉(zhuǎn)換器是指將直流轉(zhuǎn)換為直流的裝置的名稱。

它常被稱為線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等，以轉(zhuǎn)換方式的名稱命名。

為何需要DC/DC轉(zhuǎn)換器？

插入插座進行工作的電氣產(chǎn)品需要使用將AC（交流）100V轉(zhuǎn)換為DC（直流）的"AC/DC轉(zhuǎn)換器"。這是因為大部分半導(dǎo)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。通過電壓不穩(wěn)的電源等供電會導(dǎo)致誤動作或特性劣化等異常。因此，需使用"DC/DC轉(zhuǎn)換器"轉(zhuǎn)換為所需的電壓并實現(xiàn)穩(wěn)定化。

通過DC/DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。

電源IC種類

電源IC大致分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器兩種。

作為其各自的輸出形式，線性穩(wěn)壓器僅可降壓輸出比輸入電壓低的電壓。

開關(guān)穩(wěn)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關(guān)

• 從正電壓反轉(zhuǎn)輸出負電壓

而且，開關(guān)穩(wěn)壓器的整流方式有同步整流和非同步整流（二極管整流）。

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器

通過DC/DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓穩(wěn)定的裝置被稱為電壓穩(wěn)壓器。

按轉(zhuǎn)換方式，電壓穩(wěn)壓器分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器2種類型。

• 線性穩(wěn)壓

因工作時輸入與輸出的關(guān)系呈線型，故被稱為"線性穩(wěn)壓器"。

因輸入與輸出間串聯(lián)有控制元件，有時也被稱為"串聯(lián)穩(wěn)壓器"。

通過控制元件降壓，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：

電路簡單

外接部件少

噪音小

缺點：

效率低

發(fā)熱大

僅降壓型轉(zhuǎn)換器

• 開關(guān)穩(wěn)壓器

• 
  

接通開關(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(guī)定值后，開關(guān)元件即關(guān)閉，不再消耗輸入功率。

通過高速重復(fù)這一動作，將輸出電壓調(diào)節(jié)到規(guī)定值。

優(yōu)點：

效率高

發(fā)熱小

可實現(xiàn)升壓/降壓/負電壓的轉(zhuǎn)換

缺點：

外置部件多

設(shè)計困難

噪音大

線性穩(wěn)壓器的工作原理

一般的引腳構(gòu)成

線性穩(wěn)壓器基本上由VIN （輸入）、VO （輸出）、GND （接地）三個引腳構(gòu)成。

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

簡單來說，電壓固定型是內(nèi)置了電壓可變型的外接電阻的穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的內(nèi)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(zhǔn)電壓 (VREF) 相同，因此輸出電壓值（VO）由兩個電阻（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，不過也有使用雙極晶體管的產(chǎn)品。

線性穩(wěn)壓器的分類

• 按功能分類

• 
  

線性穩(wěn)壓器按功能進行分類時，首先可分為正電壓用和負電壓用兩種。

根據(jù)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(cè)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，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三個引腳構(gòu)成，內(nèi)置有輸出電壓設(shè)定用電阻。

可變型為GND基準(zhǔn)型時，添加反饋引腳變成四個引腳?？勺冃椭幸灿袩oGND引腳的浮動工作型，這種情況為三個引腳。

電壓固定型和電壓可變型之后還可分為標(biāo)準(zhǔn)型和LDO兩種。

LDO是Low Dropout的縮寫，是降低了輸入輸出間電位差的線性穩(wěn)壓器。標(biāo)準(zhǔn)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，是即使較低的輸入輸出間電位差也可進行工作的線性穩(wěn)壓器。

有時也稱為低損耗型線性穩(wěn)壓器或低飽和型線性穩(wěn)壓器。

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

例如，對于需要3.3V電源的IC，由于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)型穩(wěn)壓器相同的電壓時，（關(guān)注公眾號：硬件筆記本）也可設(shè)定較低的輸入電壓。

通過低電位差工作，可使能量損耗較少，可進行抑制散熱等設(shè)計。

壓降

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

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

這樣，為了使含有LDO的線性穩(wěn)壓器工作，設(shè)定了所需的最低輸入電壓值，此時(VO + 壓降) 即為穩(wěn)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，輸出電壓不能穩(wěn)定工作。