充電器怎麼把插座的電變成5 V？AC電源轉接器的原理
AC電源轉接器（充電器），是把插座的交流電，轉成手機等裝置使用的5伏特左右直流電的裝置。本文以日本插座的交流100伏特為例。現在大多數是「切換式電源」。先把交流電轉成直流電，再以每秒數萬次以上的速度開、關，然後用小型變壓器降低電壓。切換得越快，變壓器就能做得越小，所以比以前沉重的盒子小又輕。
這篇文章可以了解
- 手機和電腦需要「低電壓直流電」的原因
- 以前沉重的電源轉接器，和現在小型充電器的差別
- 內部的5個階段（整流、快速開關、小型變壓器、再次整流、監看與調整）
- 切換越快零件越小的原因，以及隨之增加的熱
- 不用電線連接插座側與輸出側的「絕緣」是什麼意思
先備知識：大致了解直流電與交流電的差別（「交流電和直流電有什麼不同？」）。如果知道變壓器是「用兩個線圈升降交流電壓的零件」，會更容易讀懂。
生活中的例子：從沉重的盒子到手掌大小
手機充電器、筆電的電源、Wi-Fi路由器和遊戲機的電源。家裡有許多插在插座上的小盒子。它們的任務，都是把插座的電轉換成適合機器的形式。
不久之前，家電附的電源轉接器，還是沉甸甸的方形盒子。現在的手機充電器，能用小很多、輕很多的盒子，送出差不多的電力。這是因為內部的原理從根本改變了。
本文把現在充電器內部發生的事，分成5個階段來看。
為什麼需要「低電壓的直流電」
插座的電是交流電，每秒來回改變方向50次或60次。以100伏特的插座來說，電壓在波峰時約達141伏特（詳見「交流電和直流電有什麼不同？」）。另一方面，手機和電腦裡的電路，是靠方向固定的直流電運作。
需要的電壓也低得多。手機的鋰離子電池，每1個（1個電芯）約3.6伏特（Battery University）。電腦記憶體的規格DDR5，電源電壓是1.1伏特（JEDEC，2020年）。晶片裡非常小的電晶體，承受不了高電壓。
因此，首先由AC電源轉接器，把100伏特的交流電，轉成大多約5～20伏特的直流電。在機器內部，還有更小的電源電路，再細分成每顆晶片適合的電壓（「手機裡有哪些半導體？」）。AC電源轉接器負責這段長路的第一步，也是最大的一步。
以前的電源轉接器：用大型變壓器直接降壓
以前的電源轉接器，內部非常簡單。插座的交流電直接送進變壓器，降低電壓。接著用只讓電流往一個方向流的二極體，把方向統一，再用電容器撫平成直流電（「二極體是什麼？」）。
重量來自這個變壓器。要處理每秒50次或60次這種緩慢的變化，需要粗的鐵心，和繞很多圈的銅線。鐵心是把許多薄鐵片疊起來做成的（OpenStax的物理教科書）。
這種方式還有其他缺點。電壓由匝數比決定，所以拿到輸入電壓2倍的國家使用，輸出也會變成將近2倍。直接使用的話，可能弄壞機器。接上的機器用電不多時，也可能輸出比標示更高的電壓。例如，有一款標示交流9伏特的變壓器式產品。什麼都不接時，電壓可能升到接近11.6伏特（Triad Magnetics）。
浪費也比較多。根據美國ENERGY STAR的資料，實測變壓器式電源的效率是20～75%。效率是指收到的電力中，能送出去的比例。其餘的變成熱，讓盒子變溫。
原理①：現在充電器的整體流程
現在的充電器，大多採用稱為切換式電源（也稱交換式電源）的方式。名稱來自把電細細地「切換（開、關）」。電經過的順序如下圖。
乍看之下像是在繞遠路。特地把交流電轉成直流電，又再切成細段送進變壓器。但正是這段遠路，讓變壓器能縮小到放得進手掌。我們依序來看。
原理②：先轉成直流電，以高電壓儲存
第一個階段，用4個二極體組成的電路，把插座的交流電統一成一個方向。這個電路稱為整流電路，這個動作叫做整流。之後，一個大電容器（平滑電容）反覆把電存起來、再一點一點放出，撫平起伏。
這裡還沒有降低電壓。如果是100伏特的插座，會變成接近波峰高度、約140伏特的直流電（ROHM）。如果是240伏特的國家，則約340伏特（本站計算）。
這個電容器必須耐得住高電壓（ROHM）。它的任務，是撐過插座電波每秒100次或120次出現的低谷。大小依這段低谷的長度，以及插座電壓偏低時的情況來決定（美國TI公司的資料）。它和切換速度無關，所以後面會看到的「快速切換」不會讓它變小。
原理③：用功率電晶體快速開關
接著，用能以電訊號操作的開關，把這個直流電切成細段。使用的是能承受大電流和高電壓的電晶體。通電、斷電，每秒可以切換好幾萬次（「功率半導體是什麼？」）。
切換的速度依產品而不同，例如每秒約5萬次（50千赫）（ROHM）。這相當於在50赫茲的插座交流電來回1次的期間，開關1000次。
要切成細段，是因為變壓器只對「變化中的電流」起作用。即使通入固定的直流電，另一側也不會產生電壓。反覆開關的話，對變壓器來說，作用就和非常快的交流電一樣。
原理④：用小型變壓器降壓，再轉回直流電
把切成細段的電，送進小型變壓器降低電壓。小型充電器常用這種方式：開的期間，把能量以磁力的形式存在變壓器中；關的期間，再交給輸出側。這種方式稱為返馳式，廣泛用於約100瓦以下的電源（ROHM）。
從輸出側出來的，仍是隨著開關跳動的電。所以這裡也要整流，再用電容器撫平。這樣才終於得到5伏特等穩定的直流電。
這個整流的零件有個巧思。二極體每次讓電流通過，都會用掉一點電壓。即使是用掉電壓較少的蕭特基位障二極體（也稱蕭特基二極體），也約0.4～0.7伏特（東芝）。產生5伏特時損失0.5伏特，光這樣就是1成。
所以現在的充電器，廣泛用電晶體代替二極體（Monolithic Power Systems）。只在電流該通過的瞬間，把它打開。這稱為同步整流。
原理⑤：監看輸出，調整開啟的時間
手機突然用很多電時，輸出電壓會稍微下降。插座的電壓也不是一直相同。即使如此還能保持5伏特，是因為充電器一直監看輸出，修正偏差。
輸出側有個零件，會比較固定的基準電壓和目前的輸出電壓（TI）。有偏差時，就把偏差的大小，告訴插座側的控制晶片。晶片改變開關保持開啟的時間比例，增加或減少送出的電力。這個比例稱為責任週期（Duty cycle）。
這種看結果來修正操作的機制，稱為回授控制（feedback）。輸入不論是100伏特還是240伏特，都能得到相同的輸出，也是靠這種調整。
用快速充電規格USB PD（USB 供電）要求9伏特或20伏特時，輸出側的晶片會切換目標電壓。也有產品用和圖中相同的光耦合器，把這個指示傳到插座側（瑞薩電子的產品資料。「USB是什麼？」）。
為什麼切換得快，零件就會變小
變壓器用一邊的線圈，在鐵心中產生磁力（磁通），再靠它的變化，在另一邊產生電壓。鐵心能容納的磁通有上限，由鐵心的材料和粗細決定。超過上限，變壓器就無法正常運作。
在相同電壓下，施加的時間越短，鐵心中累積的磁通就越少。50赫茲的交流電，到方向改變為止的半個週期有100分之1秒。每秒切換5萬次的話，1次開啟最長也只有約5萬分之1秒。累積的量少，鐵心就能變細，匝數也能減少（電力轉換的教科書，Erickson等人）。
不過，快1000倍，並不代表變壓器會變成1000分之1。變化快時，鐵心和導線中損失的熱會增加。所以鐵心的材料也從鐵片，換成在高頻下損失也少的鐵氧體（以鐵的氧化物為主要材料燒結而成）。用另一種比喻的說明，也可以看「氮化鎵（GaN）是什麼？」。
效率與熱：和速度的取捨
現在充電器的效率，比以前高很多。例如，假設效率90%的充電器送出20瓦。收到的電力約22.2瓦，約2.2瓦變成熱（本站計算）。
熱主要有4個來源：電晶體開啟時的小電阻、輸出側的整流、變壓器的鐵心與導線，以及切換過程中產生的損耗。最後一項，是在開與關交替的極短瞬間，電壓和電流同時存在而產生的。這稱為切換損耗。
這裡就有取捨。切換加快，零件會變小，但每次切換都有切換損耗，熱就會增加。而且小盒子的表面積小，熱不容易散出去。要等有了「切換加快，熱也不太增加」的零件，小型化才能推進。
什麼都不接時的耗電，也有規定（截至2026年）。歐盟從2020年4月起，規定把交流轉成直流、49瓦以下的外接電源，耗電須在0.10瓦以下（歐盟法規2019/1782）。美國也從2016年起，對類似的範圍設定0.100瓦的上限（美國能源部）。歐盟從2028年12月起，將改用更嚴格的新法規（歐盟法規2025/2052）。
GaN充電器變小的原因
最近的小型充電器，越來越多在開關上使用GaN（氮化鎵）這種材料的電晶體。GaN電晶體每切換1次損失的電，比矽少。所以能在熱不太增加的情況下加快切換，讓變壓器和輸出側的電容器變小。
不過，會變小的，是大小由切換速度決定的零件。原理②看到的入口大電容器，是配合插座電波的零件，所以幾乎不會變小。再加上控制晶片的改良，以及把零件緊密排列的巧思，才有現在的大小。
為了安全的「絕緣」：不用電線連接
請看原理①的圖中，虛線的上方和下方。插座側流著100伏特以上的電。另一方面，輸出側的USB端子，人的手指會直接碰到。所以這兩側之間，設計成不用電線連接。用不導電的材料或間隙隔開，稱為絕緣。
那麼，電要怎麼傳過去呢？電力是透過變壓器鐵心中的磁通傳過去。兩個線圈在電氣上沒有連接。監看的資訊，常用光來傳遞（圖2）。也有在變壓器上另繞線圈，推估輸出電壓的方式（ROHM）。
用光傳送訊號的零件，稱為光耦合器。入口的LED發光，出口的零件接收這道光，再轉回電訊號。入口和出口在電氣上是分開的，所以即使兩側的電壓差很多，也能傳送訊號（東芝）。
這類絕緣的規定，由國際安全標準訂定。電腦、影音設備及其電源，使用IEC 62368-1這項標準（COSEL）。
充電器的標籤上，常有兩個正方形套在一起、像「回」字的標誌。這是表示以雙重絕緣等方式保護的「Class II」設備的符號（IEC 60417-5172）。
以日本為例，AC電源轉接器依國家規定，屬於安全確認特別嚴格的「特定電氣用品」，必須標示菱形的PSE標章（日本經濟產業省）。在日本，請避免沒有這個標章的產品。另外，請不要拆開充電器。裡面的大電容器，在拔掉插頭後，有時仍會殘留高電壓一段時間。
常見的誤解
誤解：插在插座上的充電器，完全不耗電
實際上，即使什麼都沒接，監看電路等仍會用掉少量的電。不過量很小，歐盟和美國的上限是0.1瓦（截至2026年，49瓦以下的情況）。0.1瓦持續用1年，約0.9千瓦小時（度）（本站計算）。以前的變壓器式，有些什麼都沒接也會變溫。這是因為變壓器一直有電流流過。
誤解：瓦數大的充電器，總是很耗電
實際上，充電器的瓦數是「能送出的上限」。靠回授控制，只送出機器要用的量，所以接小機器時，用的電力也小。瓦數大小和電費沒有直接關係。因為這個數字大大地印在盒子上，所以容易讓人以為總是用那麼多電。
誤解：充電器變溫，就是故障的證據
實際上，即使效率超過90%，剩下的也會變成熱。送出20瓦時產生約2瓦的熱，是設計上的正常情況。不過，如果燙到不能摸、有燒焦味、外殼變形，請從插座拔下，並停止使用。
從數字來看
| 項目 | 數字 | 說明 |
|---|---|---|
| 100伏特整流後的直流電 | 約140 V | 240伏特時約340 V |
| 切換速度的例子 | 每秒5萬次（50 kHz） | 插座交流電的1000倍（ROHM） |
| 蕭特基位障二極體用掉的電壓 | 0.4～0.7 V | 可達5 V輸出的約1成（東芝） |
| 以前變壓器式的效率 | 20～75% | ENERGY STAR的實測 |
| 效率90%、送出20 W時的熱 | 約2.2 W | 本站計算 |
| 什麼都不接時的耗電上限 | 0.10 W | 49 W以下。歐盟2020年、美國2016年起（截至2026年） |
每秒切換5萬次時，1次開關是5萬分之1秒（20微秒）。在每段這麼短的時間裡，變壓器收下電，再交給輸出側。
進一步學習
- 用表格看差異：LDO與切換式穩壓器的差異（降低電壓的兩種方法） / 轉換器與逆變器的差異 / PN接面二極體與蕭特基二極體的差異 / SiC與GaN的差異
- 下一步的名詞：變壓器 / 平滑電容 / 同步整流 / 切換損耗 / 責任週期（Duty cycle）。還有DC-DC 轉換器（在機器內部轉換電壓的電路） / 柔性切換（減少切換損耗的方法）
- 用數字試試看：DC-DC轉換器計算工具（開啟時間的比例與輸出電壓） / 接面溫度計算工具（損耗與零件溫度）
- 相關文章：「逆變器（變頻器）是什麼？」（把直流電轉成交流電的裝置）、「電容器是什麼？」、「無線充電是什麼？」、「鋰電池是什麼？」