開關電源追求高效率功率

標簽：開關電源 電磁干擾

電子設備特別是計算機的不斷小型化，要求供電電源的體積隨之小型化，因而開關電源開始替代以笨重的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源，同時電源效率得到明顯提高。電源體積的減小意味著散熱能力的變差，因而要求電源的功耗變小，即在輸出功率不變的前提下，效率必須提高。

高效率功率變換：開關電源設計追求的目標

相同體積的電源的功率耗散基本相同，因此，欲得到更大的輸出功率，必須提高效率，同時，高的電源效率可以有效地減小功率半導體器件的應力，有利于提高其可靠性。

開關電源的損耗主要為：無源元件損耗和有源元件損耗

開關損耗一直困惑著開關電源設計者，由于功率半導體器件在開關過程中，器件上同時存在電流、電壓，因而不可避免地存在開關損耗，如果開關電源中開關管和輸出整流二極管能實現(xiàn)零電壓開關或零電流開關，則其效率可以明顯提高。

開關過程引起的開關損耗大致會占總輸入功率的5%∼10%，大幅度降低或消除這一損耗可使開關電源的效率提高5%∼10%。最有效的方法是軟開關技術或零電壓開關或零電流開關技術。

在眾多軟開關的方案中，比較實用的有大功率的全橋變換器，通常采用移相零電壓開關的控制方式，這種控制方式要求在初級側需附加一續(xù)流電感以確保開關管在零電壓狀態(tài)下導通，由于較大的有效值電流流過，這個附加電感將發(fā)熱(盡管比RC緩沖電路小得多)，因而在低壓功率變換中并不采用。

無源無損耗緩沖電路的特點是不破壞常規(guī)PWM控制方式，設計/調試簡單。盡管如此，無源無損耗緩沖電路和準諧振/零電壓開關工作方式也存在一些缺點，如僅能實現(xiàn)關斷軟開關以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。軟開關中有源箝位是提高單管正/反激變換器效率的有效方法，最初的專利限制現(xiàn)在已失效，可以普遍應用。

功率半導體器件的進步：高效率功率變換的根本

功率半導體器件的進步特別是PowerMOSFET的進步引發(fā)出功率變換的一系列的進步：PowerMOSFET的極快的開關速度，使開關電源的開關頻率從雙極晶體管的20kHz提高到100kHz以上，有效地減小了無源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓PowerMOSFET使低壓同步整流成為現(xiàn)實，器件的導通電壓從肖特基二極管的0.5V左右，降低到同步整流器的0.1V甚至更低，使低壓整流器的效率至少提高了10%。高壓PowerMOSFET的導通壓降和開關特性的改善，提高了開關電源的初級效率。功率半導體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。

電源界有一個不成文的觀點：不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效率高。Vicor的48V輸入電源模塊的效率達到97%。交流輸入開關電源需要功率因數(shù)校正，由于功率因數(shù)校正已具有穩(wěn)壓功能，在對輸出紋波要求不高的應用(如輸出接有蓄電池或超級電容器)，可以采用功率因數(shù)校正加不調節(jié)的隔離變換器電路拓撲，國外在1986年已有產(chǎn)品，效率到達93%以上。

在DC48V輸入電壓的電源模塊中，效率在93%以上的模塊幾乎無一例外地采用前級穩(wěn)壓、后級不調節(jié)隔離的方案，并且將第一級的輸出電容和第二級的輸出電感取消，簡化了電路結構。

國內(nèi)的很多開關電源在設計上對結構設計的關注相對不夠，有時會出現(xiàn)電源內(nèi)的各部分溫升不均，有的地方過熱，有的地方幾乎沒有溫升，甚至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個好的開關電源應該是產(chǎn)生熱的元件均勻分布在PCB上，而且發(fā)熱元件的溫升基本一致，PCB應有盡可能小的損耗，這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設計中尤為重要。

效率提高的同時：電源的電磁干擾得到減小

在開關電源的各種損耗中，電磁干擾所產(chǎn)生的損耗，在電源效率高到一定水平后將不容忽視。一方面電磁干擾本身消耗能量，特別是電源效率的提高往往需要軟開關技術或零電壓開關或零電流開關技術(無論是專門設置還是電路本身固有)，應用這些技術減緩了開關過程的電壓、電流的變化速率或消除了開關過程，電磁干擾變得很小，不需要像常規(guī)開關電源電路中需要專門設置抑制電磁干擾的電路(這個電路是存在損耗的)。

開關電源進入：高效率功率變換時代

仔細分析，高效率功率變換看起來是很簡單的，甚至有些電路拓撲在20多年前就有介紹(如兩級變換拓撲結構，早在UNITRODE82/83年數(shù)據(jù)手冊的ApplicationNote的AN19中就有介紹、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓撲結構)，但受當時的技術水平，特別是人們認識的限制(總是認為兩級變換的效率比單級低，而事實上兩級變換可以實現(xiàn)事實上的固有的零電壓開關，單級變換則需要特殊的附加電路和控制方式)而并沒有得到承認和應用。器件的性能和人們認識的提高已經(jīng)使兩級變換作為高效率功率變換的主要方式之一。

結語

如今對于開關電源設計工程師和制造廠商而言，先進的功率半導體器件可以方便得到，先進的電路拓撲和控制方式已經(jīng)開始應用，他們所剩下的就是想辦法提高自己的技術水平，同時創(chuàng)造更好的應用機會和市場份額。