【導讀】電源是將來(lái)自能量源（如供電網(wǎng)）的電流轉換為負載（如電機或電子設備）用電所需的電壓和電流值的電氣設備。電源的目的是以適當的電壓和電流為負載供電。因此電流必須以受控的方式（以及準確的電壓）提供給各式各樣的負載，有時(shí)還需要同時(shí)提供給所有負載。在這個(gè)過(guò)程中，輸入電壓或其他連接設備的變化不能影響其輸出。
電源是什么？
電源是將來(lái)自能量源（如供電網(wǎng)）的電流轉換為負載（如電機或電子設備）用電所需的電壓和電流值的電氣設備。
電源的目的是以適當的電壓和電流為負載供電。因此電流必須以受控的方式（以及準確的電壓）提供給各式各樣的負載，有時(shí)還需要同時(shí)提供給所有負載。在這個(gè)過(guò)程中，輸入電壓或其他連接設備的變化不能影響其輸出。
電源可以是外部電源，例如筆記本電腦和手機充電器等設備的電源；也可以是內部電源，例如臺式計算機等大型設備的電源。
無(wú)論哪種電源，它們的共同點(diǎn)是從輸入端的能量源獲取電能，并以某種方式對其進(jìn)行轉換，再將能量提供給輸出端的負載。
輸入和輸出端的電力可以是交流電（AC）或直流電（DC）的形式：
● 當電流沿一個(gè)恒定方向流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生直流電（DC）。它通常來(lái)自電池、太陽(yáng)能電池或AC / DC變換器。直流電是電子設備的首選電源類(lèi)型。
● 電流周期性反轉將產(chǎn)生交流電（AC）。通過(guò)電力傳輸線(xiàn)向家庭和企業(yè)供電時(shí)采用交流電。
可以想見(jiàn)，如果交流電是提供給住宅的電源類(lèi)型，而直流電是用于手機充電的電源類(lèi)型，那么您將需要一個(gè)AC/DC電源，以便將來(lái)自電網(wǎng)的交流電壓轉換為直流電壓來(lái)為手機電池充電。
了解交流電（AC）
進(jìn)行電源設計，首先需要確定輸入電流。大多數電網(wǎng)的輸入電壓源都是交流電。
交流電的典型波形為正弦波（見(jiàn)圖1）。`
圖1: 交流電波形及其基本參數
使用交流電源時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)指標：
?? 峰值電壓/電流：波形可以達到的最大振幅值
?? 頻率：每秒的波形循環(huán)變化數量。完成一次循環(huán)變化所需的時(shí)間稱(chēng)為周期。
?? 平均電壓/電流：一個(gè)周期內所有電壓點(diǎn)的平均值。在沒(méi)有疊加直流電壓的純交流波形中，該值為零，因為正負兩半的值相互抵消。
?? 均方根電壓/電流：一個(gè)周期內瞬時(shí)電壓平方的均方根。在純交流正弦波中，其值可以通過(guò)公式（1）計算：
?? 均方根值也可以定義為產(chǎn)生相同熱效應所需的等效直流功率。盡管這個(gè)定義較為復雜，但通過(guò)它能夠得到交流電壓或電流的有效值，因此該定義已廣泛應用于電氣工程領(lǐng)域。有時(shí)它被表示為VAC。
?? 相位：兩個(gè)波形之間的角度差。正弦波的一個(gè)完整周期為360°，從0°開(kāi)始，在90°（正峰）和270°（負峰）處出現峰值，并在180°和360°處與起點(diǎn)有兩次交叉。如果將兩個(gè)波形繪制在一起，在一個(gè)波形達到其正峰值的同時(shí)，另一個(gè)波形達到其負峰值，則第一個(gè)波形峰值位于90°，而第二個(gè)波形峰值位于270°。 這意味著(zhù)兩個(gè)波形相位差為180°，這種情形稱(chēng)為反相，因為它們的值始終符號相反。如果相位差為0°，則稱(chēng)兩個(gè)波形為同相。
交流電（AC）是電力從發(fā)電設施傳輸到最終用戶(hù)的方式。它被用于電力傳輸，是因為在傳輸過(guò)程中電力需要多次轉換。
發(fā)電設施產(chǎn)生的電壓約為40,000V（即40kV），該電壓隨后被升壓到150kV至800kV之間的任意值，以減少長(cháng)距離傳輸電流產(chǎn)生的功耗。一旦到達目標區域，電壓就會(huì )降低至4kV至35kV之間。最后，在電流到達各個(gè)用戶(hù)之前，電壓會(huì )再降低至120V或240V，具體取決于位置。
對直流電（DC）而言，實(shí)現所有這些電壓變化要么很復雜，要么效率低下。線(xiàn)性變壓器是依靠電壓波動(dòng)來(lái)傳遞和轉換電能的，所以，它們只能采用交流電（AC）工作。
AC/DC線(xiàn)性電源與開(kāi)關(guān)電源
AC/DC線(xiàn)性電源
AC/DC線(xiàn)性電源設計簡(jiǎn)單。
AC/DC線(xiàn)性電源通過(guò)變壓器將交流電（AC）輸入電壓降低到更適合預期應用的值；然后，對降低的交流（AC）電壓進(jìn)行整流變?yōu)橹绷鳎―C）電壓；最后對其進(jìn)行濾波以進(jìn)一步改善波形質(zhì)量（圖2）。
圖2: AC/DC線(xiàn)性電源功能框圖
傳統的AC / DC線(xiàn)性電源設計多年來(lái)不斷發(fā)展，在效率、功率范圍和尺寸方面都得到很大改善。但這種設計存在一些重大缺陷限制了其集成度。
它最大的限制是尺寸。由于A(yíng)C/DC線(xiàn)性電源的輸入電壓是在輸入端進(jìn)行轉換的，因此需要的變壓器體積非常大，也非常重。
在低頻（例如50Hz）下，它需要較大的電感值才能將大量功率從初級線(xiàn)圈傳輸到次級線(xiàn)圈，這需要很大的變壓器鐵芯。因此，這類(lèi)電源的小型化幾乎不可能。
AC / DC線(xiàn)性電源的另一個(gè)限制是大功率的電壓調節。
AC / DC線(xiàn)性電源使用線(xiàn)性穩壓器來(lái)保持輸出端的電壓恒定。這些線(xiàn)性穩壓器以熱量的形式耗散多余的能量。這在低功率下不會(huì )造成太大問(wèn)題，但對大功率而言，穩壓器為了維持恒定的輸出電壓需要耗散的熱量將非常高，這需要添加巨型散熱器。
AC/DC開(kāi)關(guān)電源
為了解決線(xiàn)性或傳統AC / DC電源設計相關(guān)的許多問(wèn)題，包括變壓器尺寸和電壓調節問(wèn)題，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新的設計方法，這就是開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)關(guān)電源的出現得益于半導體技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功率MOSFET晶體管的出現。這種晶體管即使在大電壓和大電流下也可以非?？焖?、高效地導通或關(guān)斷。
AC / DC開(kāi)關(guān)電源能夠創(chuàng )建效率更高的電源變換器，而無(wú)需消耗額外的功率。
使用開(kāi)關(guān)電源變換器設計的AC / DC電源稱(chēng)為開(kāi)關(guān)模式電源，它采用一種稍為復雜的方式將交流電轉換為直流電。
在開(kāi)關(guān)交流電源中，輸入電壓不會(huì )被降低，而是在輸入端就對其進(jìn)行整流和濾波。然后，直流電壓通過(guò)斬波器，由斬波器將電壓轉換為高頻脈沖序列。最后，通過(guò)另一個(gè)整流器和濾波器將脈沖序列轉換回直流（DC）電壓，并清除到達輸出之前可能存在的任何剩余交流分量（請參見(jiàn)圖3）。
在高頻下運行時(shí)，變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會(huì )達到飽和，這意味著(zhù)鐵芯可以越來(lái)越小。因此，AC / DC開(kāi)關(guān)電源中用于將電壓幅度減小到預期值的變壓器尺寸，可以?xún)H為AC / DC線(xiàn)性電源所需變壓器尺寸的一小部分。
圖3: 開(kāi)關(guān)模式AC/DC電源功能框圖
可以預料，這種新的設計方法也存在一些缺陷。
AC / DC開(kāi)關(guān)電源變換器會(huì )在系統中產(chǎn)生大量噪聲，必須對其進(jìn)行處理以確保噪聲不會(huì )在輸出端出現，這就需要更加復雜的控制電路，從而增加了設計的復雜性。好在這些濾波器由易于集成的器件組成，因此不會(huì )對電源尺寸產(chǎn)生較大影響。
正是因為AC / DC開(kāi)關(guān)電源中更小的變壓器和不斷提高的穩壓器效率，現在我們才能通過(guò)手掌大小的電源變換器就將220V RMS交流電壓轉換為5V直流電壓。
表1總結了AC / DC線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源之間的區別。
表1：線(xiàn)性電源與開(kāi)關(guān)電源的比較
單相電源與三相電源
交流（AC）電源可以是單相或者三相：
● 三相電源由三個(gè)導體（線(xiàn)）組成，每條線(xiàn)承載的交流電（AC）具有相同的頻率和電壓幅度，但相互之間相位差為120°，即一個(gè)周期的三分之一 （請參見(jiàn)圖4）。這種系統在輸送大量電力方面效率最高，因此可用于將發(fā)電設施產(chǎn)生的電力輸送到世界各地的家庭和企業(yè)。
● 單相電源是向單個(gè)家庭或辦公室供電的首選方法，它可以在線(xiàn)路之間平均分配負載。在這種情況下，電流從電源線(xiàn)流經(jīng)負載，然后再返回零線(xiàn)。這是除大型工業(yè)或商業(yè)建筑以外大多數設施的供電類(lèi)型。不過(guò)，單相系統無(wú)法將盡可能多的功率傳遞給負載，而且更容易出現電源故障，但它也允許使用更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )和設備。
圖4: 三相電源交流電波形
三相電源采用兩種配置來(lái)傳輸電力：Δ型和Y型配置，也稱(chēng)為三角形和星形配置。
這兩種配置之間的主要區別在于是否能夠添加零線(xiàn)（請參見(jiàn)圖5）。
三角形連接可靠性更高，但星型連接可提供兩種不同的電壓：相電壓（即為家庭供電的單相電壓）和線(xiàn)電壓（用于為更大的負載供電）。在星型配置中，線(xiàn)電壓（或線(xiàn)電流）是相電壓（或相電流）的√3倍。
因為標準配電系統必須同時(shí)向三相和單相系統供電，所以大多數配電網(wǎng)絡(luò )都具有三線(xiàn)和零線(xiàn)。這樣，用相同的傳輸線(xiàn)可以同時(shí)為住宅和工業(yè)機械供電。因此，星型配置是最常用的配電配置方式，而三角形配置通常用于為三相負載（例如大型電機）供電。
圖5:三相電源的星形和三角形配置
不同地區的電網(wǎng)為用戶(hù)提供的單相電源電壓值可能不同。因此，在購買(mǎi)或使用電源之前，需要檢查電源的輸入電壓范圍，以確保其可以在您所在地區的電網(wǎng)中正常工作，否則將可能損壞電源或與之相連的設備。
表2比較了全球不同地區的電網(wǎng)電壓。
*由于19世紀后期的電氣化革命，日本國家電網(wǎng)中存在兩種頻率。在關(guān)西城市大阪，電力供應商從美國購買(mǎi)了60Hz發(fā)電機；而在關(guān)東的東京，則購買(mǎi)了50Hz的德國發(fā)電機。雙方都拒絕更改頻率，因此直到今天日本供電系統中仍然有兩種頻率：關(guān)東地區為50Hz，關(guān)西地區為60Hz。
如前所述，三相電源不僅用于傳輸，還可以為大型負載（如電機或大型電池充電）供電。這是因為在三相系統中并行施加電源可以將更多的能量傳輸到負載，而且三相的重疊可以實(shí)現更均勻的傳輸（請參見(jiàn)圖6）。
圖6：?jiǎn)蜗啵ㄗ螅┖腿啵ㄓ遥┫到y中的電力傳輸
例如，在為電動(dòng)汽車(chē)（EV）充電時(shí)，能夠傳遞給電池的電量決定了其充電速度。
單相充電器插入交流（AC）電源，并通過(guò)汽車(chē)內部的AC / DC電源變換器（也稱(chēng)為車(chē)載充電器）將交流電轉換為直流電（DC）。這些充電器的電力受電網(wǎng)和AC插座的限制。
這種限制因國家和地區而異，但通常32A插座的功率小于7kW（在歐洲，220 x 32A = 7kW）。而三相電源在外部將電源從交流電轉換為直流電，可以將120kW以上的電力傳輸給電池，從而實(shí)現超快速充電。
Summary
AC / DC電源無(wú)處不在，其主要工作是將交流電壓（AC）轉換為穩定的直流（DC）電壓，從而為不同的電氣設備供電。
交流電用于實(shí)現整個(gè)電網(wǎng)中，從發(fā)電設施到最終用戶(hù)的電力傳輸。交流（AC）電路可以配置為單相或三相系統。 單相系統較簡(jiǎn)單，可以為整個(gè)家庭提供足夠的電力；三相系統能夠以更穩定的方式提供更多的電力，因此經(jīng)常用于工業(yè)應用的供電。
設計高效的AC / DC電源并非易事，因為市場(chǎng)需要能夠在各種負載條件下均保持高效的大功率微型電源。
AC / DC電源的設計方法隨著(zhù)時(shí)間不斷變遷。AC / DC線(xiàn)性電源受其尺寸和效率的限制，因為它工作于低頻條件，并通過(guò)熱量的形式耗散多余的能量以此來(lái)調節輸出溫度。相比之下，開(kāi)關(guān)電源更加流行，它通過(guò)開(kāi)關(guān)穩壓器將交流電轉換為直流電，它在更高頻率下工作，其電源轉換的效率遠高于以前的設計，可以實(shí)現掌上大功率AC / DC電源。
來(lái)源：MPS芯源系統
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