1.2 電源的分類

電源的分類可以按照電壓轉換類型分類，也可以按照轉換原理分類。按照電壓轉換類型分類，可分為AC/DC（交流轉直流電源）、DC/DC（直流轉直流電源）和DC/AC（逆變電源）三種類型；按照轉換原理分類，可分為線性電源與開關電源。電源的分類如圖1.8所示。

因為各個分類之間會有交叉，特別是開關電源的分類，因此可以按照分類維度去區分電源。各種拓撲也可以歸類到其他的分類維度進行歸類，但是由于其他分類維度也有交叉，所以單獨按照拓撲進行分類。其實不用糾結具體分類的方法，分類也是為了服務于我們的設計和使用。我們可以按照“電壓轉換類型”“轉換原理”兩種分類方式進行兩個維度的討論。這兩種分類方式之間肯定也有交叉，例如，AC/DC可以分為線性電源和開關電源，DC/DC也可以分為線性電源和開關電源。

1.2.1 按照電壓轉換類型分類

按電壓轉換類型分類，電源可以分為AC/DC、DC/DC和DC/AC三類，不同分類電源的主要使用場景如表1.1所示。

1. AC/DC電源

對于布滿半導體芯片的電路來說，大部分的負載為直流負載，所以AC/DC和DC/DC是使用最多的類別。因為工業用電、家庭用電都是交流電（AC），而家用電器內部有大量的集成電路，所以需要各種電壓值的直流電源。

AC/DC是開關電源的一類。該類電源也被稱為一次電源——AC是交流，DC是直流，交流電源經過AC/DC電源獲得一個或幾個穩定的直流電壓，功率從幾瓦到幾千瓦均有，用于不同場合。

AC/DC是將交流變換為直流。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因為必須經整流、濾波，所以體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因受到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC （Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性）之類的限制（如IEC、FCC、CSA等），交流輸入這一側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制了AC/DC電源體積的小型化。

2. DC/DC電源

DC/DC電源指直流轉換為直流的電源，從這個定義上看，廣義的DC/DC表示直流轉直流，那么實現直流轉直流的線性電源電路也應該屬于DC/DC電源。但是，有很多工程師將直流變換到直流且這種轉換方式是通過開關方式實現的電源簡稱為DC/DC電源，這種情況我們可以理解為狹義的DC/DC。

3. DC/AC電源

DC/AC電源是將直流轉換為交流的電源，又稱為逆變電源或逆變器。DC/AC電源的類型由逆變電路決定，逆變電路的分類如下。

（1）根據輸入直流電源的性質，可分為電壓型逆變電路（Voltage Source Type Inverter,VSTI）和電流型逆變電路（Current Source Type Inverter,CSTI）。DC/AC電源變換電路由直流電源提供能量，為了保證直流電源為恒壓源或恒流源，在直流電源的輸出端須配有儲能元件。若采用大電容作為儲能元件，能夠保證電壓的穩定；若采用大電感作為儲能元件，則能夠保證電流的穩定。

（2）根據逆變電路結構的不同，可分為半橋式、全橋式和推挽式逆變電路。

（3）根據所用的電力電子器件的換流方式不同，可分為自關斷、強迫換流、交流電源電動勢換流和負載諧振換流逆變電路等。換流就是電流從一條支路換向另一條支路的過程。換流是為了有效地對電能進行變換和控制，電力電子電路實質上是一種按既定時序工作的大功率開關電路。

（4）由于負載的控制要求，逆變電路的輸出電壓（電流）和頻率往往是變化的，根據電壓和頻率控制方法的不同，可分為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation,PWM）逆變電路、脈沖幅度調制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）逆變電路，以及用階梯波調幅或用數臺逆變器通過變壓器實現串、并聯的移相調壓的方波或階梯波逆變器。

1.2.2 按照轉換原理進行分類

電源按照轉換原理分類，可分為線性電源和開關電源。我們對電源進行線性電源和開關電源分類的時候，其實需要明確是AC/DC還是DC/DC。雖然這個分類是為了區分轉換的原理，但是實現AC/DC功能的線性電源和開關電源，并不都是完整的交流轉換為直流的過程，其中有些電路的一部分是由DC/DC組成的。

1. AC/DC的線性電源與開關電源

在有些書籍或在工程師日常工作中，會直接用線性電源特指“AC/DC的線性電源”，這是約定俗成及由一些歷史原因造成的。什么是線性電源？線性電源是先將交流電經過變壓器降低電壓幅值，再經過整流電路整流得到脈沖直流電，然后經濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。

AC/DC的線性電源和開關電源的特點區別如下。

AC/DC的線性電源先用工頻變壓器進行交流電降壓，然后對其進行整流。通過變壓器降壓后電壓已經比較低了，可以使用三端穩壓器等電源芯片進行穩壓。線性電源的調整管工作在放大狀態，因而發熱量大、效率低（與壓降多少有關），需要增加體積龐大的散熱片。工頻變壓器體積也相對較大，當要制作多組電壓輸出時，變壓器體積會更大。

AC/DC開關電源的調整管工作在飽和和截止狀態，因而發熱量小、效率高。AC/DC開關電源省掉了大體積的工頻變壓器。但AC/DC開關電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波，在輸出端并接穩壓二極管有可能可以改善。另外，由于開關管工作時會產生很大的尖峰脈沖干擾，因此也需要在電路中串聯磁珠，對電源質量進行改善。相對開關電源而言，線性電源的紋波可以做得很小。開關電源通過不同的拓撲結構可以實現降壓、升壓、升降壓，而線性電源只能實現降壓。

早期很多電源適配器都比較重，其轉換原理就是AC/DC線性電源，其內部用的是工頻變壓器。AC/DC線性電源是先用變壓器對交流電壓進行降壓，這種直接在市電進行降壓的變壓器，稱為工頻變壓器，如圖1.9所示。工頻變壓器也稱作低頻變壓器，以示與開關電源用高頻變壓器有區別，工頻變壓器在過去傳統的電源中有大量使用。工頻電力工業的市電標準頻率，一般也稱作市電頻率。在我國市電頻率是50Hz，其他國家市電頻率有的是60Hz。可以改變工頻交流電的電壓的變壓器，就是工頻變壓器。工頻變壓器相對于高頻變壓器，一般體積比較大，所以由工頻變壓器實現的AC/DC線性電源體積也就比較大。

圖1.10是典型的線性電源電路圖，能夠實現交流轉直流，市電交流220V經過變壓器、整流器、電容濾波，通過線性穩壓管實現穩壓，輸出需要的電壓值，該實例中實現+5V和-5V兩個直流的輸出。

從20世紀60年代開始，由于微電子技術的快速發展，出現了高反壓的晶體管（可以承受高壓直流的反向電壓），從此直流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸出一個高壓直流，作為電源轉換電路的輸入，不再需要工頻變壓器先降壓了，從而極大地擴大了它的應用范圍，并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源。省掉工頻變壓器后，使得開關穩壓電源的體積和重量大為減小，開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。圖1.11是一個單端輸出的反激式開關電源的功率部分原理圖。

AC/DC開關電源是需要先對交流電源進行整流、濾波，形成一個近似的直流高壓，再通過控制開關管產生高頻的脈沖，然后通過變壓器進行變壓。AC/DC開關電源效率更高，體積更小。體積小的一個重要原因是高頻變壓器比工頻變壓器體積小很多。

為什么頻率越高，變壓器體積越小？

變壓器鐵芯材料都有飽和磁場強度限制，所以磁場強度的峰值都有限制，而交流電的電流、磁場強度、磁通量都是正弦信號。同樣幅度的正弦信號，頻率越高，信號的變化率的峰值也越大（正弦信號過零的瞬間是變化率的峰值，而信號在峰值時變化率是0）。同時，感生電壓又是由磁通量的變化率決定的。同樣的每匝電壓，頻率越高，需要的磁通量的峰值就可以越小。但是前面提到，磁場強度的峰值是有限制的，故磁通量要求小了，鐵芯的橫截面積就可以小。

假如功率小一些，電流也就小一些，允許的導線細一些，電阻稍大一些，就允許增加匝數。這樣，每匝的電壓也就減小了，同樣可以減小磁通量的要求，進而減小變壓器體積。

假定材料一定，即飽和磁場強度一定，如果采用了具有更高飽和磁場強度的材料，也可以減小體積。我們知道，現在的變壓器與幾十年前同樣規模的變壓器相比，體積要小得多，就是因為采用了新型鐵芯材料。

根據麥克斯韋方程，變壓器線圈內的感生電動勢E為

也就是磁通密度B隨時間的變化率在N個面積為AC的線匝的積分。

對于變壓器，變壓器原邊的感生電動勢E與輸入側加的電壓U可以認為是線性關系。在變壓器輸入側的U幅值不變的前提下，可以認為E幅值也不變。

當頻率提高后，在磁通密度B峰值變化不大的前提下，每個周期內的磁通密度變化率dB/dt是大幅增加的，因此可以用更小的AC或N實現相同的感生電動勢E。AC減小，意味著磁芯截面面積減小；N減小，意味著可以縮小磁芯空窗的面積，兩者都有助于減小磁芯體積。高頻變壓器的橫截面積更小，線圈的匝數變少，這樣它的體積也就更小了。

2. DC/DC的線性電源與開關電源

幾乎所有與電子相關的從業人員，最早接觸的穩壓電源都是三端穩壓器，也是一種線性電源。因為只有三個管腳，所以三端穩壓電源也是最簡單的一種穩壓電源。

常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負電壓輸出的79××系列。

三端穩壓器是指可以實現穩壓電壓輸出的集成電路，它只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端，常用于電路實驗課程中。它的樣子像是三極管，一般為TO-220的標準封裝，也有TO-92封裝。大封裝的三端穩壓器，可以實現大功率。

用78/79系列三端穩壓器來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩壓器IC型號中的78或79后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為+6V,7909表示輸出電壓為-9V。

三端穩壓器是線性電源的一種。線性電源的基本原理就是：電阻分壓，只不過有一個動態調整的電阻。不管是線性電源還是開關電源都是輸出電壓負反饋，只不過線性電源通過一個三極管處于一個放大區，等效于一個可以變化阻值的電阻，對輸出負載進行分壓。通過輸出電壓分壓后反饋，來控制三極管實現輸出的穩壓。

線性電源的優點：①輸出電壓的精度較高；②輸出電壓紋波低，只有幾微伏，甚至更低；③沒有開關電路的反復開關和電壓電流跳變，EMI（Electro Magnetic Interference，電磁干擾）比較好；④結構簡單；⑤動態響應快，穩壓性能好。

線性電源的缺點：①損耗大，效率低；②只能實現降壓；③散熱器的體積大，重量大；④輸入輸出電壓范圍適應性差。

AC/DC線性電源和開關電源都是將交流電源通過整流、濾波變成直流信號，然后再利用直流轉直流的線性電源或開關電源變換成我們期望的電壓輸出。只不過AC/DC的開關電源會有隔離的需求，我們會選擇隔離電源，利用變壓器實現隔離，并且利用變壓器的匝數比進行降壓。

那么開關電源為什么發展越來越好，在各個領域逐步替代線性電源的比例越來越高了呢？開關電源與線性電源的區別也是經常被問及的問題。直流轉直流的線性電源和開關電源的對比如表1.2所示。

線性電源：采用調整管工作在線性區的方式，通過控制壓差實現，后級電路進行穩壓，沒有開關噪聲，輸入與輸出不能隔離。只能用于降壓，同時存在損耗，功耗大時溫度會逐漸升高，一般用于功耗不大的應用。

開關電源：采用開關管開關的方式，損耗一般較低，輸入與輸出能夠隔離，可以實現升壓、降壓和升降壓的電路。存在開關噪聲，接地需要良好。電路相比于線性電源更復雜一些。