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2022-07-07 16:46:03

新能源汽車講解丨AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)

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。

①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。

②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)。

一、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(rèn)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。

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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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)。

【變壓器方式的電路結(jié)構(gòu)示例】

下圖顯示了變壓器方式電壓波形的變化。
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?，從AC100V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。

【變壓器方式的波形推移】

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)。

【開關(guān)方式的電路結(jié)構(gòu)示例】

下圖顯示了開關(guān)方式電壓波形的變化。
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?br/>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。

【開關(guān)方式的波形推移】

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。

反饋控制

何謂反饋控制？

開關(guān)式AC/DC轉(zhuǎn)換器通過確認(rèn)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(rèn)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)方式電路結(jié)構(gòu)示例】

反饋控制的示意圖

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(dá)到規(guī)定的目標(biāo)電壓值。

【經(jīng)過平滑處理的輸出電壓示意圖】

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(rèn)，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。

輕負(fù)載模式

何謂輕負(fù)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(fù)載模式。在DC/DC轉(zhuǎn)換器等中也叫脈沖串模式。

輕負(fù)載模式示意圖

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(fù)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(fù)載模式。

【PWM方式和PFM方式】

根據(jù)狀況區(qū)分使用PWM和PFM可進一步提高效率，如高負(fù)載（使用電流）時使用周期恒定的PWM控制，輕負(fù)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?！鯬FM （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。PWM和PFM

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(fù)載（噪音發(fā)生較多）時采用PWM，電流使用較少的低負(fù)載時采用PFM，擇優(yōu)使用，即可盡可能提高效率。

二、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。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(fù)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）。

【電源IC種類】

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)壓器

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。

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(dá)到所需電壓。
輸出電壓達(dá)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。

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。

內(nèi)部電路

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