前言

電的產生方式來自於一個簡單的事實：電磁感應。在感應線圈裡如果磁通量發生變化就會產生電。

雖然在現代這被視為理所當然的事情，但法拉第也花了相當長的時間做實驗，才發現這個來自於大自然的奇妙原理。特斯拉後來利用電磁感應原理發明了發電機的結構，是現代發電的重要基礎。

磁場的變化才能產生電，為了讓磁場產生變化則需要動能（也可透過其他方式），發電廠透過煤、天然氣、核能等方式將水煮沸後產生蒸氣，蒸氣驅動磁鐵旋轉，旋轉後產生電。這是支撐人類文明的重要基礎。

對我來說這件事情很神奇，看似很複雜的電，背後來自於一個簡單的事實：電磁感應。

交流電與直流電

在台灣使用的插座電力為 110V/60Hz，如果就這樣將電直接送進去電子產品的話馬上就會壞掉。除了 110V 的電壓會將大部分的零件給燒壞之外，不斷變化電位的交流電也會讓 0 與 1 的判斷變得不準確，因此我們需要將交流電變成穩定電壓的直流電才能正常運作。

**明明交流電的電壓隨時都在變化，那麼到底是什麼東西為 110V？這個 110V 是指交流電的有效值，**交流電在電阻上所產生的瓦特數與直流電壓 110V 時一樣時就稱之為有效值。用有效值當作通稱也很自然，畢竟我們用電器在乎的就是瓦特數。

一般的電子產品，工作電壓通常會在 3.3V ~ 12V（根據產品不同）之間，我們要怎麼將交流電變成直流電呢？

交流電轉換為直流電的過程分為幾個階段：

• 變壓
• 整流
• 穩壓
• 降壓

變壓

傳統的變壓器體積較大，像是早期的筆記型電腦充電器，或是給螢幕用的變壓器。變壓器的原理是透過電磁感應，透過兩組不同線圈的圈數達到升壓或降壓交流電的效果。變壓器通常也是充電器裏頭最大的元件，因此如何縮小變壓器體積是輕量化充電器的關鍵。

根據法拉第電磁感應定理，感應電位可以透過下面的公式求得：

• 其中 E 是經由線圈的平均電壓
• f 是電流的頻率
• N 是線圈的圈數
• A 是線圈內空間（鐵芯）的切面面積
• B 是通過線圈內空間（鐵芯）的磁力

因此從這個公式來看，圈數、面積、磁力都是會影響變壓器大小的因素，如果我們想要縮小變壓器的面積，最有效的方法就是提高頻率。然而，一般交流電的輸入也通常是固定的，也就是 60Hz（以台灣為例），那麼該怎麼做才好呢？

整流

降壓過後的電，仍然處於交流電，因此沒辦法直接送進電子產品內使用，需要近一步整流。

交流轉換為直流的過程稱之為整流，整流可分為全波整流以及半波整流。

由於全波整流的轉換效益較佳，常見的整流方法是透過橋式整流器來實作。橋式整流器最主要的原理是透過二極體單向導通的特性所組成，當交流電經過橋式整流器時會將原本為負的半週期轉換為正的，因此轉換過後的波形會長這樣。

雖然已經是直流電了，但仍然有幾個問題需要解決：

• 電壓有非常大的起伏，不是理想的直流電壓
• 變壓過後的電壓還是太大，大約在 140V 左右

我們可以透過加入電容的方式讓輸出電壓更加平滑，減少鏈波。電容具有充放電的特性，可以在輸出電壓達到峰值下降時，減緩電壓下降的速度，讓輸出電壓趨於平穩。

儘管如此，電壓還是很高，我們該如何降壓呢？

降壓

從 140V 降壓到 5V，必須透過變壓器的幫忙才行。變壓器的主要原理是透過電磁感應來實現的，因此我們需要將剛剛辛苦轉換好的直流電再次轉換為交流電。

所以整個過程變成交流 → 直流 → 交流 → 直流嗎？是的。這麼做背後有一個非常重要的目的—盡可能減少變壓器的面積。

在維基百科當中有關於變壓器的轉換公式。雖然看起來有點複雜，但從公式中可以得知一個事實，輸入電壓的頻率越高，在磁力固定的情況下面積越小。

因此，我們只要想辦法讓輸入電壓的頻率盡可能地高一點，就可以減少充電器的面積了。可是剛剛有提到輸入是直流電，要怎麼讓它再次變為交流電呢？答案是不斷地開開關關，既然電流有變化了，那麼當然可以產生電磁效應。

透過 MOSFET 或是 BJT 的開關特性，可以讓開關的頻率達到每秒 100KHz 甚至更高，不斷地開開關關，我們就可以將原本是直流的波型改造為交流了。這種電路也有個專有名詞，稱作 Flyback Converter（維基百科）。

經過 Flyback Converter 轉換後變成交流電，這樣一來就可以用比較小的變壓器來降壓。為了讓輸出再次變為直流電，在電路當中需要再次加入二極體與電容整流。

前面提到，一般的二極體雖具有單向導通的特性，但從導通切換到不導通的時間比較長，當頻率來到幾千赫茲後可能會不敷使用。為了因應這種高速切換的特性，通常會使用比較特殊的二極體—蕭特基二極體（Schottky Diode）來整流。

另外一個整流方式則是主動整流，或叫做同步整流，意思是透過電晶體的開關特性來整流。使用電晶體來整流最大的好處在於轉換的損失會比一般二極體來得小，但需要透過 IC 控制並加入更多元件，相對於使用蕭特基二極體來說比較複雜，成本也會比較高。

今年比較流行的話題 GAN 充電器，透過氮化鎵的特性，可以達到比一般電晶體更高的頻率，也就代表著變壓器可以再變得更小，也是值得關注的技術之一。

充電與 PD

充電器總算可以輸出 5V 了！然而除了上面提到的，我們大費周章終於將交流電轉成穩定的 5V 電路後，在輸出端也需要做控制。例如要與手機的充電接口溝通，決定是否使用快充，監測溫度或短路等等，因此充電器裏頭也會有微控制器來負責處理這些邏輯。

一般我們講的快充，指的通常是 Power Delivery 或 QC，這邊只介紹 Power Delivery。因為 type-C 有比較多個傳輸通道，我們可以在 cc 這條引腳當中傳輸一些充電所需要的資訊，例如手機是否支援快充、可以支援到多少伏特的電壓等等，充電器就能根據這些資料來輸出對應的電壓。

當然完整實作 Power Delivery 協定並不是一件簡單的事，因此通常是直接使用已經集成的 IC 來實現這些功能。

在手機端，通常也會有一些保護電路與如何最佳化充電的電路在裏頭。例如在鋰電池即將充滿的時候，要開始減少充電的電流，充滿的時候就不要繼續充了。

總結

今天這篇文章算是對電做了非常概括性的介紹，其重點在於現代用電是如何將交流電變成直流電給電子產品：

• 透過橋式整流器對交流電進行整流
• 使用電容（或是 pi 型整流）提高有效電壓並減少鏈波
• 使用變壓器降壓（Flyback Converter）
• 使用同步整流或是蕭特基二極體再次將交流變為直流

身為軟體工程師的我，其實就是間接仰賴著電在討生活的，然而我發現我對這個來自大自然的禮物卻一無所知。

將交流電轉換成穩定直流電，再從產品的角度出發，如何將面積變得更小、減少損失、更安全，背後仍然是基礎科學的堆積，這應該就是 Engineering 的本質了吧。