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2016.03.30 AC/DC

所謂開關方式

AC/DC基本知識

使用開關元件轉換AC/DC的方式如圖5所示。

開關方式為一開始先用橋式二極器,整流100VAC。使用變壓器時,會先利用變壓器降低AC/AC電壓,但開關方式卻是直接整流高AC電壓。因此,橋式二極體必須能夠承受高電壓。100VAC的峰值約140V左右。

再來以電容使其平滑。這部分同樣使用高電壓規格品。

接著,藉由開關元件ON/OFF截斷(切分)高DC電壓,並經由高頻變壓器,將能量傳送至二次側。此時的ON/OFF頻率,也就是開關頻率,使用比輸入AC頻率50/60Hz高出許多的數十kHz,然後再轉換成呈現如圖5般方形波的AC。

圖5:採用開關方式轉換AC/DC

利用二次側的整流二極體,整流此一高頻率AC電壓,接著以電容使其平滑後,再轉換成設定的DC輸出電壓。圖片中省略了高頻率AC電壓的整流波形,但它是使用1個二極體的半波整流,因此請各位參照圖2。另外,變換成需要的DC電壓時,必須設置如圖5般的開關元件控制電路。 (此電路構造為返馳式的範例。返馳式留待後述。)

切分高DC電壓轉換成AC,之後再藉由整流-平滑,轉換成低DC電壓的方法,和一般採開關方式轉換DC/DC相同。在此進一步細分採開關方式轉換DC/DC的過程,就是先從DC開關成AC後,再開關至DC。另外,使用3端子的線性穩壓器轉換DC/DC時,就只是單純將DC轉換成DC而已。

整流-平滑後以開關方式轉換DC/DC的原理

先說明整流AC後再轉換成DC的原理,並在之後約略解說一下採開關方式轉換DC/DC的原理。

Figure 6. Principles of switching system-based DC/DC conversion taking PWM as an example

圖6: 以PWM為例,說明採用開關方式轉換DC/DC的原理

圖6是利用代表性的控制方式PWM(Pulse Width Modulation:脈衝寬度調變)加以降壓的原理。PWM是讓周期(頻率)保持一定,調整ON和OFF的時間比,也就是工作週期(duty cycle)來進行控制的方式,能運用在多種應用裝置上。採用PWM時,經由開關將DC電壓轉換成達到必要工作週期的AC後,接著再進行整流回到DC,以取得想要的DC電壓。例如經由開關將100VDC轉換成周期25%ON、剩下OFF的25:75之AC。接著,整流-平滑該AC,亦即將其均勻化後轉換成DC,電壓就會轉換成相當於25%的25VDC。事實上,DC/DC轉換屬於功率轉換,必須提升轉換效率,雖然不必如圖片般配置,但仍須遵照其原理。此外,負載電流若增加,電壓就會下降,反而必須增加控制電路的脈衝寬度,並將電壓回復到設定值,進行回饋控制,因此脈衝寬度無法保持固定。

總而言之,AC/DC轉換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑後,轉換成DC,再將該DC轉換成高頻率的AC,接著重複整流-平滑步驟,轉換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比,必須重複AC/DC轉換2次,讓人覺得非常複雜。的確是有些複雜,但優點大於缺點,因此近年來採用開關方式的AC/DC轉換器日漸增加。至於有哪些優點則留待後述。

使用開關方式的零件和安裝範例

圖7的照片是採用開關方式,轉換AC/DC時所必要的零件和回路安裝範例。基本構造和圖5相同,將輸出電壓反饋至PWM控制電路上,藉此穩定控制。

AC_fig_7-1AC_fig_7-2

圖7:PWM採用開關方式時, AC/DC轉換器的零件和安裝範例

部品和前述的變壓器方式相似,但橋式二極體、一次側的電解電容、開關元件(電晶體),全部採用可因應高電壓的規格品。

必須以數十kHz的高頻率才能驅動的變壓器,我們稱為高頻變壓器或開關式變壓器。開關式變壓器的線圈,一般都是使用鐵氧體(Ferrite)。

開關元件基本上會使用電晶體,有功率電晶體或開關電晶體等多種名稱,但則以開關電源用的高功率MOSFET最為普遍。開關電晶體必須配合輸出功率選擇適合的規格,但當輸出功率不太時,就能夠使用內建開關電晶體的控制IC,減少零件數量。

至於穩定輸出電壓的控制電路,可以使用電晶體和運算放大器等單獨的元件組成電路。然而,最近除了正確、穩定控制外,也開始提供各種保護功能,因此愈來愈多裝置採用AC/DC轉換用IC。尤其是在電路機板上安裝AC/DC電源時,設計電路上以AC/DC轉換器用IC為中心會較為實際。另外,該電路的控制IC是安裝在機板背面下方正中央旁邊。雖然SOP8是非常小的封裝,但除了控制功能外,還具備了多種保護功能。

重點:

・比變壓器方式複雜許多,但為近幾年的主流。

・利用控制IC,能簡化設計。

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