電源是什么？

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，例如臺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，并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，而直流電是用于手機充電的電源類型，那么您將需要一個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：

• VPEAK√2

V P E A K 2

• ? 均方根值也可以定義為產生相同熱效應所需的等效直流功率。盡管這個定義較為復雜，但通過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域。有時它被表示為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，并在180°和360°處與起點有兩次交叉。如果將兩個波形繪制在一起，在一個波形達到其正峰值的同時，另一個波形達到其負峰值，則第一個波形峰值位于90°，而第二個波形峰值位于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。它被用于電力傳輸，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），該電壓隨后被升壓到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。最后，在電流到達各個用戶之前，電壓會再降低至120V或240V，具體取決于位置。

對直流電（DC）而言，實現所有這些電壓變化要么很復雜，要么效率低下。線性變壓器是依靠電壓波動來傳遞和轉換電能的，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；然后，對降低的交流（AC）電壓進行整流變為直流（DC）電壓；最后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，它需要較大的電感值才能將大量功率從初級線圈傳輸到次級線圈，這需要很大的變壓器鐵芯。因此，這類電源的小型化幾乎不可能。

AC / DC線性電源的另一個限制是大功率的電壓調節。

AC / DC線性電源使用線性穩壓器來保持輸出端的電壓恒定。這些線性穩壓器以熱量的形式耗散多余的能量。這在低功率下不會造成太大問題，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于半導體技術的發展，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，它采用一種稍為復雜的方式將交流電轉換為直流電。

在開關交流電源中，輸入電壓不會被降低，而是在輸入端就對其進行整流和濾波。然后，直流電壓通過斬波器，由斬波器將電壓轉換為高頻脈沖序列。最后，通過另一個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開關電源中用于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開關電源變換器會在系統中產生大量噪聲，必須對其進行處理以確保噪聲不會在輸出端出現，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，因此不會對電源尺寸產生較大影響。

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）。這種系統在輸送大量電力方面效率最高，因此可用于將發電設施產生的電力輸送到世界各地的家庭和企業。

• 單相電源是向單個家庭或辦公室供電的首選方法，它可以在線路之間平均分配負載。在這種情況下，電流從電源線流經負載，然后再返回零線。這是除大型工業或商業建筑以外大多數設施的供電類型。不過，單相系統無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單的網絡和設備。

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于是否能夠添加零線（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（用于為更大的負載供電）。在星型配置中，線電壓（或線電流）是相電壓（或相電流）的√3倍。

因為標準配電系統必須同時向三相和單相系統供電，所以大多數配電網絡都具有三線和零線。這樣，用相同的傳輸線可以同時為住宅和工業機械供電。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

不同地區的電網為用戶提供的單相電源電壓值可能不同。因此，在購買或使用電源之前，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電壓。

*由于19世紀后期的電氣化革命，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系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現更均勻的傳輸（請參見圖6）。

圖6： 單相（左）和三相（右）系統中的電力傳輸

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，并通過汽車內部的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，從而實現超快速充電。

總結

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。

交流電用于實現整個電網中，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系統。單相系統較簡單，可以為整個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，因此經常用于工業應用的供電。

設計高效的AC / DC電源并非易事，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，并通過熱量的形式耗散多余的能量以此來調節輸出溫度。相比之下，開關電源更加流行，它通過開關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，可以實現掌上大功率AC / DC電源。