必看！AC/DC 的基礎

在此將說明AC（交流）電壓轉換成DC（直流）電壓的基本方法，變壓器方式和開關方式。此外，也將進行變壓器方式和開關方式的比較探討總述。

首先，“為何必須AC/DC轉換？”讓我們先回到原點。

眾所周知，日本的家庭或大樓的主要供電是AC的100V或200V。然而，大多數電器通過其中的電子電路操作，幾乎都是利用5V和3.3V的DC電壓工作。其中雖然有電機設備和白熾燈炮等，直接以AC電壓驅動的設備，但最近電機和開關等較為單純的設備，幾乎無可避免地，都會配備電子控制電路，且全部的電子控制電路都以DC電壓驅動。此外，市場也逐漸將白熾燈炮換成LED，只是如同大家所知般，LED基本上仍是以DC驅動的。也就是說，“從送電網傳送過來的是AC，但因為相當于電子產品心臟的電子電路，是以DC驅動的，因此如果不將AC電壓轉換成DC電壓，將無法啟動電子產品”。以上是回答。相信大家會覺得“這樣的話，一開始傳送DC電源不就好了？”，但其實傳送AC電源，是有其歷史背景因素和理由的。

各位應該知道愛迪生在1881年時，發明了安裝白熾燈泡的電燈。其實在當時的美國境內，是以供應DC電源為標準，愛迪生為了推廣白熾燈泡，開始投入推行DC 110V送電網的事業。然而，傳送DC電源時，會造成電壓大幅度下降，因此傳送范圍無法超過1.5km，導致發電廠必須建造在街道的中。這話現在難以置信。尼古拉?特斯拉考察AC的發電、送電、使用方法，和愛迪生之間開始了電流戰爭。最后特斯拉方以能夠輕易變壓，且即使電線又細又長，傳送電力時也不會造成太大損耗的AC系統獲得勝利，而該結果也一直延續到現在。

一

AC的優點

●AC電源只要使用變壓器，就能輕松轉換電壓（升壓、降壓）。

●傳送電力時能保持高電壓/低電流，減輕電壓下降的現象（I2R損耗）。

●能輕易將AC電源轉換成DC電源，易于供應電力DC驅動設備。

其實發電廠送出數千至2萬V的AC高電壓后，在傳送到一般住戶前，再通過電線桿上的變壓器，降壓至100V和200V。

這是題外話，現階段住宅內的插座供應AC電源，所以各設備必須自行安裝AC/DC轉換電路才行。對于該部分，從節能化和小型化的觀點來看，不得不說多此一舉，在最近各地測試運轉和研究的智慧家居構想中，也曾考慮從住宅內的插座，直接供應DC電源的系統。雖然如此，但不代表電力送電網的設施能急速轉變成DC，或者不必AC/DC轉換。在該系統內，供應DC電源的家庭供電裝置，仍須設定高功率和效率的大功率AC/DC轉換器，以及在附近安裝中功率的AC/DC轉換器。

那么，再來談論另一個基本知識。在前述內容中提到“能輕易從AC轉變成DC”，但這屬于“整流”作用，為AC/DC轉換的根本，因此必須先了解其架構。

圖2為屬于整流基本種類的全波整流，以及半波整流的作用。無論哪方，都是將輸入的AC電壓和二極管相接，抓到負向波的振幅。半波整流只使用1個二極管，來抓到負向波的振幅，因此負向波消失，只剩下一半的波形，故稱半波。全波整流使用了由4個二極管組成的橋式二極管，能旋轉負向波，讓它出現在正向波區域內，而能顯示全波形的就是DC。

DC化之后，利用電容器讓波形平滑。但即使波形平滑仍會殘存紋波（Ripple：脈流），其振幅紋波電壓會因為電容器的容值和負載而出現變化。當電容器的容值和負載相同時，全波整流和半波整流相比，反而是全波整流的紋波電壓會變小。

作為AC/DC轉換的方法之一，也就是安裝變壓器，以變壓器為主的方法。圖3是采用變壓器方式的一般構造。

在此以輸入電壓100VAC為例。通過變壓器，將100VAC降壓（變壓）至可獲得所需DC電壓的AC電壓值。這一部分稱為AC/AC轉換。利用調整變壓器一次側和二次側的線圈，來設定變壓值（發生在變壓器二次側的降壓值）。

如果，輸入輸出間必需絕緣時，可利用變壓器絕緣。

而且，利用二極管橋式整流器將已經降壓的AC電壓轉換成DC，接著用電容器加以平滑，最終轉換成紋波較小的DC電壓。整流后的DC電壓是指AC的峰值電壓(AC×√2)減去二極管的正向電壓后的數值。

當不必確保輸出穩定時，就可以將DC電壓作為輸出電壓。電壓的初期值取決于變壓器的匝數比，負載電流越增加，電壓越降低。必須確保輸出穩定時，使用穩壓器穩定電壓。此時，將變壓器二次側的電壓，設定成適合利用穩壓器轉換的電壓。例如最后設定12VDC，整流后的電壓為18VDC，就能抑制電壓損耗，不會因為工作而變低，但也不會因此變高。

一

變壓器方式使用部件

使用變壓器方式的AC/DC轉換實際的部件示例。

雖然是轉換AC/AC的變壓器，但AC的頻率為50/60Hz，因此必須使用低頻變壓器。設計電源用變壓器，稱為電源變壓器或商用頻率用變壓器(商用變壓器)等。請將變壓器的大小（體積）考慮成和電源輸出功率量成正比。我們身邊最常見到的例子就是AC適配器，電流容量的越大，也越大越重。變壓器的基本構造是指被稱為Core的鐵芯和一次及二次的線圈所組成。鐵芯一般以硅鋼片制造而成。

二極管橋式整流器是連接4個整流用二極管，并一體化封裝。形狀除了照片所示范例外，還有SIP和DIP的方形封裝。此外，也可以使用4個整流二極管組裝成橋式二極管。二極管也有隨容許電流增大尺寸增大的傾向。

至于電容器，基本上使用電解電容器。所需電容值會因負載或可容許紋波而變化，但大致上約數百~數千μF。電源輸出功率愈大，電容器的體積就會愈大。

在產生一般電子電路電源電壓的電路中，只有變壓器能處理高電壓。其他部件選擇符合所制作dDC電壓的額定值產品。

此變壓器方式是指以往最常使用的方式。

使用開關元件的AC/DC轉換方式如圖5所示。

開關方式為一開始先用橋式二極器，整流100VAC。變壓器方式，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，橋式二極管必須能夠承受高電壓。100VAC的峰值約140V左右。

再以電容器使其平滑。這部分同樣使用高電壓規格品。

接著，通過開關元件ON/OFF斬波(切分)高DC電壓，并經由高頻變壓器，將電能傳送至二次側。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，然后再轉換成呈現如圖5般方波的AC。

利用二次側的整流二極管，整流該高頻率AC電壓，接著以電容器使其平滑后，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個二極管的半波整流，因此請各位參照圖2。此外，轉換成需要的DC電壓時，必須設定如圖5般的開關元件控制電路。（此電路構造為反激式的范例。反激式留待后述。）

切分高DC電壓轉換成AC，之后再通過整流-平滑，轉換成低DC電壓的方法，和一般采用開關方式轉換DC/DC相同。此進一步細分采用開關DC/DC轉換的過程，就是先從DC開關成AC后，再開關至DC。另外，使用3引腳的線性穩壓器轉換DC/DC時，就只是單純將DC轉換成DC而已。

一

整流-平滑后以開關DC/DC轉換原理

先說明整流AC后再轉換成DC的原理，并在之后約略解說一下采用開關方式轉換DC/DC的原理。

圖6是利用代表性的控制方式PWM（Pulse Width Modulation:脈沖寬度調制)方式加以降壓的原理。PWM是指讓周期(頻率)保持恒定，調整ON和OFF的時間比，也就是占空比來進行控制的方法，能運用在多種應用上。采用PWM時，經由開關將DC電壓轉換成達到必要占空比的AC后，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的AC。接著，整流-平滑該AC，也即將其均勻化后轉換成DC，電壓就會轉換成相當于25%的25VDC。事實上，DC/DC轉換屬于功率轉換，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，負載電流如果增加，電壓就會下降，反之，必須增加控制電路的脈沖寬度，并將電壓返回到設定值，進行反饋控制，因此脈沖寬度無法保持恒定。

總而言之，AC/DC轉換是直接將輸入的AC電壓整流-平滑后，轉換成DC，再將該DC轉換成高頻率的AC，接著重復整流-平滑步驟，轉換成想要的DC電壓。和前述的變壓器方式相比，必須重復AC/DC轉換2次，讓人覺得非常復雜。的確是有些復雜，但優點大于缺點，因此近年來采用開關方式的AC/DC轉換器日漸增加。至于有哪些優點則留待后述。

一

開關方式使用部件和安裝例

圖7的照片是采用開關方式的AC/DC轉換所必須部件和電路安裝例。基本構造和圖5相同，將輸出電壓反饋至PWM控制電路上，借此穩定控制。

部件和前述的變壓器方式相似，但橋式二極管、一次側的電解電容器、開關元件(晶體管)，全部采用可支持高電壓的規格品。

必須以數十kHz的高頻率才能工作的變壓器，我們稱為高頻變壓器或開關式變壓器。開關式變壓器的鐵芯，一般都是使用鐵氧體。

開關元件基本上使用晶體管。有功率晶體管或開關晶體管等多種名稱，但則以開關電源用的高功率MOSFET最為普遍。開關晶體管必須配合輸出功率選擇適合的規格，但當輸出功率不太時，就能夠使用內置開關晶體管的控制IC，減少部件數量。

至于穩定輸出電壓的控制電路，可以使用晶體管和運算放大器等單獨的元件組成電路。最近除了正確、穩定控制外，也開始提供各種保護功能，因此愈來愈多裝置采用AC/DC轉換用IC。特別是在電路基板上安裝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是安裝在基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。

前文已針對采用變壓器方式和開關方式AC/DC轉換，概略說明一下工作狀況和電路，在此則是比較兩者，并整理各自的優缺點。

如果比較電路構造，會發現因轉換方式不同，構造有些差異，但仍以采用開關方式的電路較為復雜。此外，開關方式必須使用控制電路（基本上使用IC）。

兩者使用部件非常類似，但開關方式大多為高耐壓部件。部件的規格也會影響到制造成本。

不過，兩者最大差異在于效率，而體積/重量也是開關方式較占優勢。

舉例來說，最近特別是便攜設備的充電用AC適配器變得既小又輕？圖11是常看到的AC適配器，但左邊采用變壓器方式，右邊則是開關方式。兩者規格相互比較之下，右邊明顯偏小，但輸出卻可達1W以上，反而較大。

對此，開關方式是將先將AC輸入（50/60Hz）DC化再轉換成高頻的AC，因此能使用較小的變壓器和輸出電容器，大幅度縮小外形尺寸。基本工作方式和先前說明的“開關方式為將AC輸入整流-平滑后，其余步驟則和DC/DC轉換器相同”完全一樣。效率方面的情況也是如此，采用開關方式時，由于只須扣除必要的功率，因此能提升效率，如此一來自然可以抑制發熱。

至于設計，必須配合效率、尺寸和成本，但如果能先理解方式不同造成的差異，以及各方式的優缺點，就可以選出優化的方式。近年來，AC適配器面臨到待機功率的問題，但只要采用開關方式，就有望順利解決該問題。