AC/DC电源基础知识(3)-开关方式

开关方式是用作AC/DC转换电源模块的最常用方法之一，使用开关元件的AC/DC转换原理图如下图所示：开关方式为一开始先用桥式二极器，整流100VAC，桥式二极管必须能够承受高电压。100VAC的峰值约140V左右，再以电容器使其平滑，同样使用高电压产品。接着通过开关元件ON/OFF斩波（切分）高DC电压，并经由高频变压器，将电能传送至二次侧。此时的ON/OFF频率，也就是开关频率，使用比输入AC频率50/60Hz高出许多的数十kHz，然后再转换成呈现如图中的方波AC。

利用二次侧的整流二极管，整流该高频率AC电压，接着以电容器使其平滑后，再转换成设定的DC输出电压。图片中省略了高频率AC电压的整流波形，但它是使用1个二极管的半波整流。转换成需要的DC电压时，必须设定如上图中的开关元件控制电路。切分高DC电压转换成AC，之后再通过整流-平滑，转换成低DC电压的方法，和一般采用开关方式转换DC/DC相同。此进一步细分采用开关DC/DC转换的过程，就是先从DC开关成AC后，再开关至DC。另外使用3引脚的线性稳压器转换DC/DC时，就只是单纯将DC转换成DC而已。

整流-平滑后以开关DC/DC转换原理，先说明整流AC后再转换成DC的原理，并在之后粗略解说一下采用开关方式转换DC/DC的原理。

上图是利用代表性的控制方式PWM（Pulse max-width: 100%; width Modulation:脉冲宽度调制）方式加以降压的原理。PWM是指让周期（频率）保持恒定，调整ON和OFF的时间比，也就是占空比来进行控制的方法，能运用在开关电源、电源模块等多种应用上。采用PWM时，经由开关将DC电压转换成达到必要占空比的AC后，接着再进行整流回到DC，以取得想要的DC电压。例如经由开关将100VDC转换成周期25%ON、剩下OFF的25:75的AC。接着，整流-平滑该AC，也即将其均匀化后转换成DC，电压就会转换成相当于25%的25VDC。

事实上DC/DC转换属于功率转换，必须提升转换效率，虽然不必如图片般配置，但仍须遵照其原理。此外，负载电流如果增加，电压就会下降，反之，必须增加控制电路的脉冲宽度，并将电压返回到设定值，进行反馈控制，因此脉冲宽度无法保持恒定。

总结：

AC/DC转换是直接将输入的AC电压整流-平滑后，转换成DC，再将该DC转换成高频率的AC，接着重复整流-平滑步骤，转换成想要的DC电压。和前述的变压器方式相比，必须重复AC/DC转换2次，让人觉得非常复杂。但优点大于缺点，所以近年来采用开关方式的AC/DC电源模块日渐增加。

开关方式AC/DC电源模块使用元件和安装例子如上图所示：将输出电压反馈至PWM控制电路上，借此稳定控制。元件和上一篇所讲的变压器方式相似，但桥式二极管、一次侧的电解电容器、开关元件（晶体管），全部采用可支持高电压的产品。必须以数十kHz的高频率才能工作的变压器，我们称为高频变压器或开关式变压器，开关式变压器的铁芯一般都是使用铁氧体。开关元件基本上使用晶体管，有功率晶体管或开关晶体管等多种名称，但则以开关电源、电源模块用的高功率MOSFET最为普遍。开关晶体管必须配合输出功率选择适合的规格，但当输出功率不大时，就能够使用内置开关晶体管的控制IC，减少部件数量。

至于稳定输出电压的控制电路，可以使用晶体管和运算放大器等单独的元件组成电路。除了正确、稳定控制外，也开始提供各种保护功能，因此愈来愈多电源模块采用AC/DC转换用IC。特别是在电路基板上安装AC/DC电源模块时，设计电路上以AC/DC转换器用IC为中心会较为实际。另外该电路的控制IC是安装在基板背面下方正中央旁边，虽然SOP8是非常小的封装，但除了控制功能外，还具备了多种保护功能。