【技术】AC/DC转换器的工作原理与常见故障处理

2024-05-10 16:00:19 60

1、交流直流转换器

交流转换器是一种电子设备，其主要功能是将交流电（AC）转换为直流电（DC）。交流电是电流方向和大小随时间周期性变化的电能形式，而直流电则是在电路中电流方向保持不变的电能形式。

交流直流转换器广泛应用于各种电子设备和系统中，包括但不限于家用电器、办公设备、通信系统、计算机硬件、汽车电子、工业控制以及航空航天等领域。它们可以根据不同的设计和需求，提供从几瓦到几千瓦乃至更高的功率输出，并且可以是封装在小型模块内的集成解决方案，也可以是大型的电源供应系统。

工作原理

交流电转直流电的过程始于整流，通过二极管等半导体元件，仅允许电流在一个方向上流动，从而将交流电的正负半周转换为单一方向的脉动直流电。接下来的滤波阶段，使用电容和电感元件去除脉动中的交流成分，进一步平滑电流。最后，稳压环节确保输出电压恒定，不受输入电压波动或负载变化的影响，通常采用线性稳压器或开关稳压器实现。

交流直流转换器原理图

应用

交流直流转换器（AC/DC转换器）的应用领域极为广泛，几乎涵盖了所有依赖于稳定直流电源的现代电子设备和系统。以下是一些主要的应用领域：

消费电子：包括手机充电器、笔记本电脑适配器、平板电视、游戏机、音频设备和家用电器等，这些设备内部需要稳定的直流电源供电。
信息技术与通信：数据中心服务器、网络路由器和交换机、通信基站、以及各种办公自动化设备，如打印机、复印机等，均需高效可靠的AC/DC转换来确保持续运行。
工业控制与自动化：工业生产设备、自动化控制系统、仪表和传感器、LED照明系统等，这些应用要求高度稳定的直流电源以维持精确控制和长寿命。
医疗设备：心电图机、超声波设备、病患监护系统等医疗电子设备，对电源的纯净度和可靠性有着极高的要求。
汽车与交通运输：电动汽车的动力电池充电系统、车载电子系统（如导航、娱乐系统）、以及轨道交通中的电气设备等。
能源与照明：太阳能逆变器、风力发电系统的电力调节、LED路灯及建筑照明系统，这些领域利用AC/DC转换技术进行电能的转换与管理。
科研与实验设备：实验室测试仪器、分析设备、科研装置等，这些精密设备往往需要高质量的直流电源支持其运作。
航空航天：飞机、卫星和航天器上的电子系统，对电源的要求极为严格，必须具备高效率、轻量化和极端环境下的稳定性。

交流直流转换器应用

常见故障原因及解决方法

交流直流转换器可能出现的常见故障及其原因和解决方法包括：

输出电压不稳

原因：可能是因为输入电压波动、滤波电容老化、稳压电路故障或负载突变导致的。

解决方法：检查并稳定输入电压源；更换老化的滤波电容；检查并修复或替换故障的稳压元件；增加适当的保护电路以应对负载变化。

发热严重

原因：通常由功率器件过载、散热不良、电路设计不合理或元器件老化引起。

解决方法：检查并确保负载没有超过转换器的最大额定功率；改善散热条件，如增加散热片或使用风扇；检查电路设计，优化布局和选择更合适的元器件；更换老化或损坏的元器件。

无法正常启动

原因：可能是启动电路故障、保险丝烧毁、控制电路损坏或输入电源问题。

解决方法：检查启动电路及元器件，如继电器或控制IC；更换烧毁的保险丝；排查并修复控制电路；确认输入电源是否正常。

噪音干扰

原因：滤波不足、电磁兼容性(EMC)设计不当、接地不良。

解决方法：增强滤波设计，添加额外的高频滤波电容或电感；改进EMC设计，使用屏蔽和接地技巧；确保良好的接地连接。

短路保护触发

原因：外部负载短路、内部元器件损坏导致短路。

解决方法：检查外部负载并排除短路情况；检测并更换内部损坏的元器件；如果有必要，调整或增强短路保护机制。

万用表针对以上故障，进行故障诊断时，建议首先进行外观检查，查看是否有明显的物理损伤或松动部件，然后使用万用表测量关键节点的电压和电流，逐步定位故障点。对于复杂故障，可能需要专业的电路分析工具和设备，或者送至专业维修服务点进行检修。在自行维修前，务必确保已断开电源并采取适当的安全措施，避免电击风险。

2、直流直流转换器

直流直流转换器是一种电能转换装置，其功能是将一个直流电能源的电压水平转换为另一个不同电压水平的直流电能输出，同时可以涉及电流、功率的调整，但保持输出为直流形式。这种转换对于满足不同电子子系统或组件对电源电压的具体需求至关重要，特别是在那些由电池或其他固定电压源供电的设备中，如移动电话、笔记本电脑、电动汽车以及各种便携式和嵌入式系统。

直流直流转换器通过开关技术（开关模式电源，SMPS）或线性稳压技术实现电压转换，其中开关模式转换器因效率高而被广泛应用。它们可以分为几种基本类型，包括降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器，以及隔离型转换器等，每种类型根据输入与输出电压关系及电路结构的不同，有着各自独特的应用场合。

转换过程中，电路会利用电感、电容等储能元件来平滑和调节电压，通过控制开关元件（如MOSFET）的开通和关断，将输入电源斩波成高频脉冲，然后通过变压器（在隔离型转换器中）或直接（在非隔离型转换器中）进行能量传递，并利用滤波电路将脉冲直流转换为平滑的直流输出。通过调节开关的占空比（即开通时间与开关周期的比例），可以精确控制输出电压。

类型

直流直流转换器主要有两种基本类型：降压转换器和升压转换器。它们通过开关技术和储能元件（如电感器和电容器）来改变输入直流电压的水平，以适应不同电子设备的电压需求。下面INFINITECH分别介绍它们的工作原理及区别：

直流直流转换器类型降压和升压

降压转换器

工作原理：

开启阶段：当开关（通常是MOSFET）导通时，输入电压施加到电感上，电感开始储能，电流逐渐上升，同时电容向负载供电。
关闭阶段：当开关关闭时，电感上的电流不会立即消失，而是通过二极管续流继续向负载供电，并通过电容平滑输出电压，此时电感释放储存的能量。
重复上述过程：通过控制开关的导通和关断频率（占空比），可以调节输出电压的平均值低于输入电压。

特点：降压转换器的输出电压总是小于或等于输入电压，适用于需要较低电压输出的场合。

升压转换器

工作原理：

开启阶段：当开关导通时，电感连接到输入电源，电流通过电感上升，电感储能。
关闭阶段：开关关闭后，电感试图维持电流连续，因此电流通过二极管流向负载，并对电容充电，使得输出电压高于输入电压。
重复上述过程：通过调整开关的占空比，可以控制输出电压的提升幅度。

特点：升压转换器的输出电压总是大于输入电压，适用于需要提升电压的场合。

降压与升压转换器的区别

电压转换方向：最根本的区别在于输出电压与输入电压的关系。降压转换器将电压降低，而升压转换器将电压升高。
能量传递机制：虽然两者都利用了电感和电容的储能特性，但能量流动的方向和增减方式不同。降压转换器中，能量直接从输入源到负载，而升压转换器则通过电感储能并在开关关闭时“泵升”电压至负载。
应用场合：降压转换器适用于电池供电设备中电压调节，如笔记本电脑和手机电池供电到CPU等低电压电路。升压转换器则常用于需要高电压输出的场合，如LED驱动、某些电池充电电路或需要提升电池电压的系统中。