【導讀】電源是將來自能量源（如供電網）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，有時還需要同時提供給所有負載。在這個過程中，輸入電壓或其他連接設備的變化不能影響其輸出。

電源是什麼？

電源是將來自能量源（如供電網）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，有時還需要同時提供給所有負載。在這個過程中，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，例如台式計算機等大型設備的電源。

無論哪種電源，它們的共同點是從輸入端的能量源獲取電能
，並以某種方式對其進行轉換，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：

●    當電流沿一個恒定方向流動時

，將產生直流電（DC）。它通常來自電池、太陽能電池或AC / DC變換器。直流電是電子設備的首選電源類型。

●    電流周期性反轉將產生交流電（AC）。通過電力傳輸線向家庭和企業供電時采用交流電。

可以想見，如果交流電是提供給住宅的電源類型，而直流電是用於手機充電的電源類型，那麼您將需要一個AC/DC電源，以便將來自電網的交流電壓轉換為直流電壓來為手機電池充電。

了解交流電（AC）

進行電源設計

，首先需要確定輸入電流。大多數電網的輸入電壓源都是交流電。

交流電的典型波形為正弦波（見圖1）。`

圖1: 交流電波形及其基本參數

使用交流電源時，需要考慮以下幾個指標：

•• 峰值電壓/電流：波形可以達到的最大振幅值

•• 頻率：每秒的波形循環變化數量。完成一次循環變化所需的時間稱為周期。

•• 平均電壓/電流：一個周期內所有電壓點的平均值。在沒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：一個周期內瞬時電壓平方的均方根。在純交流正弦波中

，其值可以通過公式（1）計算：

•• 均(jun)方(fang)根(gen)值(zhi)也(ye)可(ke)以(yi)定(ding)義(yi)為(wei)產(chan)生(sheng)相(xiang)同(tong)熱(re)效(xiao)應(ying)所(suo)需(xu)的(de)等(deng)效(xiao)直(zhi)流(liu)功(gong)率(lv)。盡(jin)管(guan)這(zhe)個(ge)定(ding)義(yi)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)
，但(dan)通(tong)過(guo)它(ta)能(neng)夠(gou)得(de)到(dao)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)的(de)有(you)效(xiao)值(zhi)

，因(yin)此(ci)該(gai)定(ding)義(yi)已(yi)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)電(dian)氣(qi)工(gong)程(cheng)領(ling)域(yu)。有(you)時(shi)它(ta)被(bei)表(biao)示(shi)為(wei)VAC。

•• 相位：兩個波形之間的角度差。正弦波的一個完整周期為360°，從0°開始，在90°（正峰）和270°（負峰）處出現峰值，並在180°和360°處chu與yu起qi點dian有you兩liang次ci交jiao叉cha。如ru果guo將jiang兩liang個ge波bo形xing繪hui製zhi在zai一yi起qi，在zai一yi個ge波bo形xing達da到dao其qi正zheng峰feng值zhi的de同tong時shi，另ling一yi個ge波bo形xing達da到dao其qi負fu峰feng值zhi
，則ze第di一yi個ge波bo形xing峰feng值zhi位wei於yu90°
，而第二個波形峰值位於270°。 這意味著兩個波形相位差為180°，這種情形稱為反相
，因為它們的值始終符號相反。如果相位差為0°，則稱兩個波形為同相。

交流電（AC）是電力從發電設施傳輸到最終用戶的方式。它被用於電力傳輸，是因為在傳輸過程中電力需要多次轉換。

發電設施產生的電壓約為40,000V（即40kV），該電壓隨後被升壓到150kV至800kV之間的任意值，以減少長距離傳輸電流產生的功耗。一旦到達目標區域

，電壓就會降低至4kV至35kV之間。最後，在電流到達各個用戶之前，電壓會再降低至120V或240V，具體取決於位置。

對直流電（DC）而er言yan，實shi現xian所suo有you這zhe些xie電dian壓ya變bian化hua要yao麼me很hen複fu雜za，要yao麼me效xiao率lv低di下xia。線xian性xing變bian壓ya器qi是shi依yi靠kao電dian壓ya波bo動dong來lai傳chuan遞di和he轉zhuan換huan電dian能neng的de，所suo以yi
，它ta們men隻zhi能neng采cai用yong交jiao流liu電dian（AC）工作。 

AC/DC線性電源與開關電源

AC/DC線性電源

AC/DC線性電源設計簡單。

AC/DC線性電源通過變壓器將交流電（AC）輸入電壓降低到更適合預期應用的值；然後，對降低的交流（AC）電壓進行整流變為直流（DC）電壓；最後對其進行濾波以進一步改善波形質量（圖2）。

圖2: AC/DC線性電源功能框圖

傳統的AC / DC線性電源設計多年來不斷發展
，在效率
、功率範圍和尺寸方麵都得到很大改善。但這種設計存在一些重大缺陷限製了其集成度。

它最大的限製是尺寸。由於AC/DC線性電源的輸入電壓是在輸入端進行轉換的
，因此需要的變壓器體積非常大
，也非常重。

在低頻（例如50Hz）下(xia)
，它(ta)需(xu)要(yao)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)感(gan)值(zhi)才(cai)能(neng)將(jiang)大(da)量(liang)功(gong)率(lv)從(cong)初(chu)級(ji)線(xian)圈(quan)傳(chuan)輸(shu)到(dao)次(ci)級(ji)線(xian)圈(quan)，這(zhe)需(xu)要(yao)很(hen)大(da)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)芯(xin)。因(yin)此(ci)，這(zhe)類(lei)電(dian)源(yuan)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)幾(ji)乎(hu)不(bu)可(ke)能(neng)。

AC / DC線性電源的另一個限製是大功率的電壓調節。

AC / DC線(xian)性(xing)電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)來(lai)保(bao)持(chi)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)恒(heng)定(ding)。這(zhe)些(xie)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)以(yi)熱(re)量(liang)的(de)形(xing)式(shi)耗(hao)散(san)多(duo)餘(yu)的(de)能(neng)量(liang)。這(zhe)在(zai)低(di)功(gong)率(lv)下(xia)不(bu)會(hui)造(zao)成(cheng)太(tai)大(da)問(wen)題(ti)，但(dan)對(dui)大(da)功(gong)率(lv)而(er)言(yan)，穩(wen)壓(ya)器(qi)為(wei)了(le)維(wei)持(chi)恒(heng)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)需(xu)要(yao)耗(hao)散(san)的(de)熱(re)量(liang)將(jiang)非(fei)常(chang)高(gao)
，這(zhe)需(xu)要(yao)添(tian)加(jia)巨(ju)型(xing)散(san)熱(re)器(qi)。

AC/DC開關電源

為了解決線性或傳統AC / DC電源設計相關的許多問題，包括變壓器尺寸和電壓調節問題，業界已經開發出了新的設計方法，這就是開關電源。

開關電源的出現得益於半導體技術的發展，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常快速、高效地導通或關斷。

AC / DC開關電源能夠創建效率更高的電源變換器，而無需消耗額外的功率。

使用開關電源變換器設計的AC / DC電源稱為開關模式電源
，它采用一種稍為複雜的方式將交流電轉換為直流電。

在(zai)開(kai)關(guan)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)中(zhong)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)不(bu)會(hui)被(bei)降(jiang)低(di)，而(er)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)就(jiu)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)整(zheng)流(liu)和(he)濾(lv)波(bo)。然(ran)後(hou)

，直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)通(tong)過(guo)斬(zhan)波(bo)器(qi)
，由(you)斬(zhan)波(bo)器(qi)將(jiang)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)高(gao)頻(pin)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)。最(zui)後(hou)，通(tong)過(guo)另(ling)一(yi)個(ge)整(zheng)流(liu)器(qi)和(he)濾(lv)波(bo)器(qi)將(jiang)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)轉(zhuan)換(huan)回(hui)直(zhi)流(liu)（DC）電壓，並清除到達輸出之前可能存在的任何剩餘交流分量（請參見圖3）。

在高頻下運行時
，變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會達到飽和，這意味著鐵芯可以越來越小。因此，AC / DC開關電源中用於將電壓幅度減小到預期值的變壓器尺寸
，可以僅為AC / DC線性電源所需變壓器尺寸的一小部分。

圖3: 開關模式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kai關guan電dian源yuan變bian換huan器qi會hui在zai係xi統tong中zhong產chan生sheng大da量liang噪zao聲sheng，必bi須xu對dui其qi進jin行xing處chu理li以yi確que保bao噪zao聲sheng不bu會hui在zai輸shu出chu端duan出chu現xian，這zhe就jiu需xu要yao更geng加jia複fu雜za的de控kong製zhi電dian路lu
，從cong而er增zeng加jia了le設she計ji的de複fu雜za性xing。好hao在zai這zhe些xie濾lv波bo器qi由you易yi於yu集ji成cheng的de器qi件jian組zu成cheng，因yin此ci不bu會hui對dui電dian源yuan尺chi寸cun產chan生sheng較jiao大da影ying響xiang。

正是因為AC / DC開關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線性電源和開關電源之間的區別。

表1：線性電源與開關電源的比較

單相電源與三相電源

交流（AC）電源可以是單相或者三相：

●    三相電源由三個導體（線）組成，每條線承載的交流電（AC）具有相同的頻率和電壓幅度
，但相互之間相位差為120°，即一個周期的三分之一 （請參見圖4）。這種係統在輸送大量電力方麵效率最高
，因此可用於將發電設施產生的電力輸送到世界各地的家庭和企業。

●    單(dan)相(xiang)電(dian)源(yuan)是(shi)向(xiang)單(dan)個(ge)家(jia)庭(ting)或(huo)辦(ban)公(gong)室(shi)供(gong)電(dian)的(de)首(shou)選(xuan)方(fang)法(fa)，它(ta)可(ke)以(yi)在(zai)線(xian)路(lu)之(zhi)間(jian)平(ping)均(jun)分(fen)配(pei)負(fu)載(zai)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，電(dian)流(liu)從(cong)電(dian)源(yuan)線(xian)流(liu)經(jing)負(fu)載(zai)，然(ran)後(hou)再(zai)返(fan)回(hui)零(ling)線(xian)。這(zhe)是(shi)除(chu)大(da)型(xing)工(gong)業(ye)或(huo)商(shang)業(ye)建(jian)築(zhu)以(yi)外(wai)大(da)多(duo)數(shu)設(she)施(shi)的(de)供(gong)電(dian)類(lei)型(xing)。不(bu)過(guo)

，單(dan)相(xiang)係(xi)統(tong)無(wu)法(fa)將(jiang)盡(jin)可(ke)能(neng)多(duo)的(de)功(gong)率(lv)傳(chuan)遞(di)給(gei)負(fu)載(zai)，而(er)且(qie)更(geng)容(rong)易(yi)出(chu)現(xian)電(dian)源(yuan)故(gu)障(zhang)
，但(dan)它(ta)也(ye)允(yun)許(xu)使(shi)用(yong)更(geng)簡(jian)單(dan)的(de)網(wang)絡(luo)和(he)設(she)備(bei)。

圖4: 三相電源交流電波形

三相電源采用兩種配置來傳輸電力：Δ型和Y型配置
，也稱為三角形和星形配置。

這兩種配置之間的主要區別在於是否能夠添加零線（請參見圖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）和線電壓（用於為更大的負載供電）。在星型配置中，線電壓（或線電流）是相電壓（或相電流）的√3倍。

因(yin)為(wei)標(biao)準(zhun)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)同(tong)時(shi)向(xiang)三(san)相(xiang)和(he)單(dan)相(xiang)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)
，所(suo)以(yi)大(da)多(duo)數(shu)配(pei)電(dian)網(wang)絡(luo)都(dou)具(ju)有(you)三(san)線(xian)和(he)零(ling)線(xian)。這(zhe)樣(yang)，用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)傳(chuan)輸(shu)線(xian)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)為(wei)住(zhu)宅(zhai)和(he)工(gong)業(ye)機(ji)械(xie)供(gong)電(dian)。因(yin)此(ci)

，星(xing)型(xing)配(pei)置(zhi)是(shi)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)配(pei)電(dian)配(pei)置(zhi)方(fang)式(shi)，而(er)三(san)角(jiao)形(xing)配(pei)置(zhi)通(tong)常(chang)用(yong)於(yu)為(wei)三(san)相(xiang)負(fu)載(zai)（例如大型電機）供電。

圖5:三相電源的星形和三角形配置

不(bu)同(tong)地(di)區(qu)的(de)電(dian)網(wang)為(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)的(de)單(dan)相(xiang)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)值(zhi)可(ke)能(neng)不(bu)同(tong)。因(yin)此(ci)，在(zai)購(gou)買(mai)或(huo)使(shi)用(yong)電(dian)源(yuan)之(zhi)前(qian)，需(xu)要(yao)檢(jian)查(zha)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)

，以(yi)確(que)保(bao)其(qi)可(ke)以(yi)在(zai)您(nin)所(suo)在(zai)地(di)區(qu)的(de)電(dian)網(wang)中(zhong)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)，否(fou)則(ze)將(jiang)可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)電(dian)源(yuan)或(huo)與(yu)之(zhi)相(xiang)連(lian)的(de)設(she)備(bei)。

表2比較了全球不同地區的電網電壓。

*由於19世紀後期的電氣化革命，日本國家電網中存在兩種頻率。在關西城市大阪，電力供應商從美國購買了60Hz發電機
；而在關東的東京
，則購買了50Hz的德國發電機。雙方都拒絕更改頻率

，因此直到今天日本供電係統中仍然有兩種頻率：關東地區為50Hz
，關西地區為60Hz。

如前所述，三相電源不僅用於傳輸，還可以為大型負載（如電機或大型電池充電）供電。這是因為在三相係統中並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現更均勻的傳輸（請參見圖6）。

圖6：單相（左）和三相（右）係統中的電力傳輸

例如，在為電動汽車（EV）充電時，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，並通過汽車內部的AC / DC電源變換器（也稱為車載充電器）將交流電轉換為直流電（DC）。這些充電器的電力受電網和AC插座的限製。

這種限製因國家和地區而異，但通常32A插座的功率小於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，從而實現超快速充電。

Summary

AC / DC電源無處不在
，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。

交流電用於實現整個電網中，從發電設施到最終用戶的電力傳輸。交流（AC）電路可以配置為單相或三相係統。 單相係統較簡單，可以為整個家庭提供足夠的電力；三相係統能夠以更穩定的方式提供更多的電力，因此經常用於工業應用的供電。

設計高效的AC / DC電源並非易事

，因為市場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時間不斷變遷。AC / DC線xian性xing電dian源yuan受shou其qi尺chi寸cun和he效xiao率lv的de限xian製zhi
，因yin為wei它ta工gong作zuo於yu低di頻pin條tiao件jian，並bing通tong過guo熱re量liang的de形xing式shi耗hao散san多duo餘yu的de能neng量liang以yi此ci來lai調tiao節jie輸shu出chu溫wen度du。相xiang比bi之zhi下xia
，開kai關guan電dian源yuan更geng加jia流liu行xing，它ta通tong過guo開kai關guan穩wen壓ya器qi將jiang交jiao流liu電dian轉zhuan換huan為wei直zhi流liu電dian，它ta在zai更geng高gao頻pin率lv下xia工gong作zuo，其qi電dian源yuan轉zhuan換huan的de效xiao率lv遠yuan高gao於yu以yi前qian的de設she計ji
，可ke以yi實shi現xian掌zhang上shang大da功gong率lvAC / DC電源。

來源：MPS芯源係統

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