干货分享！AC/DC与DC/DC转换器的工作原理与应用

AC/DC 和 DC/DC 转换器在高压未来中的应用主要体现在新能源汽车、高压电力传输等领域，其核心优势在于高效能量转换与高耐压能力。

AC/DC转换器是将交流电(AC)转换为直流电(DC)的设备，广泛应用于现代电子设备中。它的主要功能是将家庭或工业电力系统中的交流电源，经过一系列的电路转换后，提供给需要直流电的设备。与许多设备不同，家电、计算机、通信设备等大多数电子产品需要的是稳定的直流电，而电力系统提供的却是交流电。因此，AC/DC转换器在此过程中扮演着桥梁的角色，确保交流电能够安全、稳定地转换为适合设备使用的直流电。

新能源汽车中的高压应用

随着新能源汽车向800V及以上高压平台发展，AC/DC转换器需适配更高耐压需求。高压平台通过降低充电电流减少线路损耗，提升充电效率，同时对转换器的绝缘性能、耐压能力提出更高要求。例如， ROHM 公司研发的高压AC/DC转换器已成功应用于800V系统，其电气绝缘性能和耐压能力满足高压环境要求。 ‌

AC与DC基本概念首先，来简要了解一下 AC(交流)和DC(直流)的基本概念。 AC，即Alternating Current(交流)，是一种电流形式，其电流大小和极性(方向)会随时间呈现周期性的变化。而频率，以Hz为单位表示，则是指电流极性在1秒内变化的次数。

接下来，我们再来看看DC(直流)的定义。DC，即Direct Current(直流)，是一种电流形式，其显著特点在于其极性(方向)保持不变，不会随时间发生周期性的变化。 这种电流形式在电子技术中有着广泛的应用。①持续保持同一极性(方向)且电流大小不变的电流形式，被称为DC。②虽然流动极性保持稳定，但电流大小随时间发生变化的电流形式，同样被归类为DC，这种电流通常被人们称为纹波电流。

AC/DC转换器

▲ 重要性与现状

AC/DC转换器，其核心功能在于将交流电压(AC)高效地转化为直流电压(DC)。在家庭及商业环境中，我们通常接收到的电压为100V或200V的AC电压，而大多数电器设备却需要在5V或3.3V的DC电压下才能正常运作。因此，AC/DC转换器的存在显得尤为重要，它确保了电器设备能够得到所需的电压供应，从而得以顺利运行。其中，虽然电机和灯泡等某些产品能够直接使用交流电压进行驱动，但为了确保电机与微控制器的控制电路能够顺畅运作，同时将灯泡转换为节能的LED，AC/DC转换就显得尤为必要。

工业高压场景的应用

高压DC/DC转换器常用于工业设备电源系统，例如驱动 直流电机 或转换高压直流电为低压直流电。这类设备通过电阻、晶体管或变压器实现电压调节，具有高效率、高绝缘性等特点，适用于对安全性要求高的工业场景。 ‌23技术发展趋势

未来高压转换器将进一步优化：

‌数字化控制‌：采用数字控制技术提升响应速度和稳定性;

‌新材料应用‌：新型磁性材料降低损耗并提高效率;

‌集成化设计‌：模块化设计简化安装和维护。

首先，来简要了解一下AC(交流)和DC(直流)这两个概念。AC，即Alternating Current(交流)，是一种电流形式，其大小和极性(方向)会随时间呈现周期性的变化。这种周期性变化的频率，通常以Hz(赫兹)为单位进行衡量，表示电流极性在1秒内变化的次数。

接下来，我们再来看看DC(直流)的概念。DC，即Direct Current(直流)，是一种电流形式，其显著特点是极性(或方向)保持不变，不会随时间发生周期性变化。这种特性使得直流电流在电路中流动时，始终保持一个固定的方向。

①DC，即Direct Current(直流)，是一种具有特定性质的电流。它的流动极性(方向)和电流大小都不会随时间发生变化，始终保持稳定。这种特点使得直流电流在电路中能够持续、稳定地流动。

②虽然流动极性保持稳定，但电流大小却随时间发生变化的电流，同样属于DC范畴，这种电流被称为纹波电流。

一、AC/DC转换器的定义与作用

AC/DC转换器，顾名思义，是一种将交流电压(AC)转化为直流电压(DC)的电子元件。在家庭住宅和办公楼中，我们通常接收到的电压是100V或200V的AC电压。然而，大部分电器设备，如手机、电脑等，都是在5V或3.3V的DC电压下才能正常工作。因此，为了确保电器能够顺畅运行，AC电压必须经过AC/DC转换器的处理，转换为电器所需的DC电压。

其中，虽然有些产品如电机和灯泡可以直接使用交流电压驱动，但为了与微控制器的控制电路相连，以及将灯泡转换为节能的LED，AC/DC转换仍显得至关重要。

那么，为何在传输时选择使用AC电压呢?有人可能会问：“既然电器最终使用的是DC，那为何不直接传输DC?”

这主要是因为电力通常来源于水力、火力或核能发电站，这些发电站往往位于远离市区的地区。在这些地区与市区之间进行电力传输时，AC电压相比DC电压具有显著的优势。AC电压可以通过高电压、低电流的方式进行传输，从而显著减少传输过程中的能量损耗。然而，对于家庭使用而言，高电压并不适合，因此需要通过多个变电站进行逐步的降压处理，最终转换为100V或200V的AC电压供家庭使用。

此外，AC电压在转换为DC电压时，会经过全波整流或半波整流的过程。这两种整流方式都依赖于二极管的电流正向流通特性来实现AC到DC的转换。

全波整流利用二极管桥式电路将输入电压中的负电压部分转换为正电压，进而整流为直流电压(脉冲电压)。而半波整流则通过单个二极管消除负电压部分，同样整流为直流电压(脉冲电压)。随后，借助电容器的充电和放电，波形得到平滑处理，从而转化为纯净的直流电压。由此可见，全波整流相较于仅利用正电压的半波整流，其效率更高。另外，平滑后的纹波电压会受到电容器容量和负载的影响而发生变化。

在相同的电容器容量和负载条件下，全波整流的纹波电压更低，这意味着其稳定性更好、性能更优异。

接下来，我们探讨AC/DC转换的方法。AC/DC转换可以通过变压器方式或开关方式来实现。

下图展示了变压器方式下的电压波形变化。

首先，交流电压会经过变压器进行降压，降至适当的水平，例如从AC100V降至AC10V等。这一步骤属于AC/AC转换，其降压比例由变压器的绕组比来决定。

随后，经过变压器降压的交流电压会进入二极管桥式整流器，进行全波整流，从而转换为脉冲电压。

最后，通过电容器的充电和放电作用，脉冲电压得到平滑处理，输出纹波较小的直流电压。这是目前最为传统的AC/DC转换方式。

这是开关方式下的普通AC/DC转换器电路结构。

下图展示了开关方式下电压波形的演变过程。

在开关方式中，AC/DC转换器直接利用二极管桥式整流器对交流电压进行整流，而非通过变压器进行降压。鉴于普通家庭用电电压通常为AC100V或AC200V，因此所采用的二极管桥式整流器必须具备耐高压的特性。

随后，通过电容器对整流后的直流电压进行平滑处理，以消除脉冲电压的影响。同样，这里也需要使用耐高压的电容器。接下来，利用开关元件的通断来对直流电压进行斩波，即通过高频变压器将其降至二次侧。此时，斩波波形已转变为方波。

值得注意的是，开关元件的工作频率远高于家用频率(如50/60Hz)，例如可能达到100kHz。正因如此高频特性，使得变压器能够实现小型化和轻便化。

在二次侧，通过整流二极管对已转变为方波的电压进行半波整流，随后利用电容器进行平滑处理，最终输出稳定的直流电压。开关方式的核心在于控制电路对开关元件的精准控制，以实现预期的直流输出，例如DC12V。与传统的变压器方式相比，开关方式虽然电路结构更为复杂，但它能通过高频控制实现小型变压器的应用，从而推动设备的小型化发展，这是其显著的优势。

接下来，我们探讨开关式AC/DC转换器中的反馈控制机制。这种转换器会实时监测实际输出的DC电压值，并根据这些电压信息对开关元件进行实时调控，以确保稳定的DC输出。这种通过确认输出电压并据此调控开关元件的方法，我们称之为反馈控制或FB控制。

【开关方式电路结构示例】

反馈控制的原理图

开关式AC/DC转换器的工作流程如下：首先，利用二极管电桥对AC电压进行整流，随后通过电容器进行平滑处理，将交流电转换为直流电。接着，通过开关元件对直流电压进行斩波(即ON/OFF控制)，再经过高频变压器降压后传递到二次侧。最后，再次利用电容器进行平滑处理，以确保输出规定的直流电压(VDC)。

在此过程中，FB控制电路会实时监测实际输出的电压值，并与规定的目标电压值进行比较。如果实际输出电压偏离目标电压，FB控制电路会立即作出反应，通过调整开关元件的状态来纠正偏差，从而确保稳定的直流输出。这种实时监测与调控的机制，正是开关式AC/DC转换器能够提供稳定直流电压的关键所在。

【经过平滑处理的输出电压示意图】

当实际输出电压低于目标电压时，控制系统会延长开关元件的ON时间，从而提升输出电压。相反，若实际输出电压高于目标电压，则控制系统会缩短ON时间。通过这种方式，反馈控制电路能够持续监控并调整开关元件的ON/OFF时间，从而确保稳定的输出电压。

接下来，我们来探讨轻负载模式。在开关式AC/DC及DC/DC转换器中，电压斩波和电容器平滑处理是关键技术，它们共同作用以提供目标输出电压。然而，这种ON/OFF转换过程中会产生瞬间漏电流，即贯通电流。漏电流的损失与单位时间内的ON/OFF次数成正比，次数越多，损失越大，进而影响效率。

为了解决这一问题，轻负载模式被引入。在这种模式下，通过频率调制(PFM控制)将转换周期拉长、转换速度降低，从而减少单位时间内的ON/OFF转换次数，进而降低漏电流的损失。这种技术能够有效地提升轻负载情况下的转换效率。

【PWM与PFM的灵活运用】

在不同的负载情况下，选择适当的控制方式可以进一步提升转换器的效率。例如，在高负载状态下，通常使用PWM(脉宽调制)方式，其特点是频率恒定，通过调整开关的ON时间从输入电压中获取所需的输出部分。而在轻负载状态下，PFM(脉冲频率调制)则更为适用。PFM通过固定ON时间并动态调整频率(或改变OFF时间)来控制输出，或者采用固定OFF时间并调整ON时间的方式。这种方式能根据输出电流量灵活调整频率，从而显著提高效率。

值得注意的是，虽然PFM方式在效率上表现出色，但开关过程中可能会产生不定期的噪音。这种频率不定的噪音有时难以消除。相比之下，采用频率恒定的PWM方式在消除噪音方面更为简便。因此，在实际应用中，可以根据需求灵活选择PWM和PFM方式，以实现效率与噪音控制的最佳平衡。在高频率驱动的高负载情况下，采用PWM方式可以减少噪音;而在电流使用较少的低负载情况下，则可以选择PFM方式以提高效率。通过这种择优使用的方式，可以最大限度地提高转换器的整体性能。

二、DC/DC转换器

DC/DC转换器，顾名思义，是一种将直流(DC)电压进行转换的元件。由于不同的电子元件，如IC，具有各自特定的电压工作范围，因此需要DC/DC转换器来提供合适的电压。这类转换器分为两种基本类型：降压转换器，其输出电压低于输入电压;以及升压转换器，其输出电压则高于输入电压。此外，DC/DC转换器还常以转换方式命名，如线性稳压器或开关稳压器等。

为何需要DC/DC转换器?

电气产品在使用时，往往需要插入插座以获取电力。这些产品内部通常会配备一个将交流(AC)100V电压转换为直流(DC)的“AC/DC转换器”。然而，这并不足够，因为大多数半导体部件，如集成电路(IC)，都需要在直流电压下才能正常工作。此外，整机电路板上的IC等元件都具有特定的电压工作范围和精度要求。如果直接使用电压不稳定的电源供电，可能会导致这些元件出现误动作或性能下降等异常情况。因此，为了确保电子产品的稳定运行，我们需要使用“DC/DC转换器”来将电压转换为所需的稳定值。

通过DC/DC转换器，我们可以实现电压的稳定转换，这种装置通常被称为电压稳压器。在电源IC方面，主要有两种类型：线性稳压器和开关稳压器。线性稳压器的主要特点是其输出电压始终低于输入电压。而开关稳压器则更加灵活，它可以实现以下四种输出形式：降压输出(输出电压低于输入电压)、升压输出(输出电压高于输入电压)、升降压输出(输出恒定电压，不受输入电压影响)以及反转输出(从正电压转为负电压)。此外，开关稳压器的整流方式也有两种：同步整流和非同步整流(即二极管整流)。

电压稳压器，一种通过DC/DC转换器实现电压稳定转换的装置，在电源IC领域扮演着至关重要的角色。根据其转换方式，电压稳压器可进一步细分为两大类型：线性稳压器和开关稳压器。其中，线性稳压器因其输入与输出间呈线型关系而得名，同时，由于它在工作时会在输入与输出间串联控制元件，因此有时也被称作“串联稳压器”。

由于线性稳压器在降压过程中存在损耗，输入与输出电压差越大，损耗和效率降低就越明显，因此它主要适用于小功率电源。其优点包括电路简单、外接部件少以及噪音小。然而，它也存在效率低和发热量大的缺点，且仅适用于降压型转换。

相比之下，开关稳压器通过接通开关元件(如MOSFET)来供电，当输出电压达到所需值时，开关元件会关闭以节省输入功率。通过高速重复这一过程，开关稳压器能将输出电压精确调节至规定值。

优点：

效率高：开关稳压器通过高效开关元件进行供电，能显著降低损耗并提高效率。

发热小：与线性稳压器相比，开关稳压器在降压过程中产生的热量较少。

转换灵活：开关稳压器可实现升压、降压以及负电压的转换，满足不同的电源需求。

缺点：

外置部件多：开关稳压器的设计相对复杂，需要更多的外置部件进行连接和配置。

设计困难：由于其工作原理的复杂性，初次设计者可能会面临一定的挑战。

噪音大：在某些情况下，开关稳压器可能会产生较大的噪音，影响使用体验。

随着技术的进步，AC/DC转换器的设计也越来越精密。高频开关电源、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等新型材料的应用，使得AC/DC转换器能够在更高的效率下工作，减少散热并提升设备的稳定性。特别是在电动汽车、太阳能发电、智能家居等领域，AC/DC转换器的高效能和小型化设计正变得越来越重要。高效的AC/DC转换器不仅可以为设备提供稳定的电源供应，还能减少能源消耗，降低系统成本，符合现代社会对节能环保的要求。

除了传统的家用设备，AC/DC转换器在工业应用中也占有一席之地。例如，工业自动化、过程控制、通信设备等领域中，AC/DC转换器用于为各种控制系统、马达驱动、传感器和其他重要设备提供电力。这些应用对电源的稳定性、效率和安全性要求较高，因此AC/DC转换器的设计必须考虑到更为复杂的工作环境和更严苛的技术要求。

在设计AC/DC转换器时，除了功率转换效率外，设计人员还需考虑多个因素，如输入电压的波动、输出电流的稳定性、设备的散热情况等。此外，AC/DC转换器的选择还需要根据负载的不同要求，选择合适的输出电压和电流，以保证转换器在工作过程中不会过载，确保设备长期稳定运行。

随着互联网、物联网、智能电网等新兴技术的兴起，AC/DC转换器的应用领域正在不断拓展。特别是在智能家居和智能办公领域，随着各种低功耗设备的普及，对AC/DC转换器的需求也日益增加。这些设备往往需要在低功耗、高效率的电源环境下运行，因此设计更为高效、更节能的AC/DC转换器成为行业发展的重要方向。

对于现代AC/DC转换器来说，能效提升和小型化将是未来发展的主要趋势。随着高效电源技术的不断革新，AC/DC转换器不仅会在功率转换方面更加高效，还将通过更先进的电路设计和材料选型，在更小的体积内实现更高的能量密度。这种变化将为智能设备、可再生能源、通信设备等领域提供更加紧凑、更加高效的电力解决方案。

现代社会对电力设备的要求越来越高，AC/DC转换器的技术创新正是这些需求的回应。它的效率提升、功能优化和小型化将为各行各业提供更强大的支持，推动各类智能设备和节能环保技术的发展。随着技术的不断演进，AC/DC转换器将在未来发挥越来越重要的作用，为智能家居、电动汽车、可再生能源等行业带来更多的创新应用。