開關(guān)電源追求高效率功率

標簽：開關(guān)電源 電磁干擾

電子設(shè)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(guān)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(guān)電源設(shè)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(yīng)力，有利于提高其可靠性。

開關(guān)電源的損耗主要為：無源元件損耗和有源元件損耗

開關(guān)損耗一直困惑著開關(guān)電源設(shè)計者，由于功率半導體器件在開關(guān)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(guān)損耗，如果開關(guān)電源中開關(guān)管和輸出整流二極管能實現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，則其效率可以明顯提高。

開關(guān)過程引起的開關(guān)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(guān)電源的效率提高5%∼10%。最有效的方法是軟開關(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù)。

在眾多軟開關(guān)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(guān)的控制方式，這種控制方式要求在初級側(cè)需附加一續(xù)流電感以確保開關(guān)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(shè)計/調(diào)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(guān)工作方式也存在一些缺點，如僅能實現(xiàn)關(guān)斷軟開關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。軟開關(guān)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(yīng)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(guān)速度，使開關(guān)電源的開關(guān)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(guān)特性的改善，提高了開關(guān)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(guān)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(yīng)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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)。

國內(nèi)的很多開關(guān)電源在設(shè)計上對結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)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(guān)電源應(yīng)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(yīng)有盡可能小的損耗，這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設(shè)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(guān)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(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù)(無論是專門設(shè)置還是電路本身固有)，應(yīng)用這些技術(shù)減緩了開關(guān)過程的電壓、電流的變化速率或消除了開關(guān)過程，電磁干擾變得很小，不需要像常規(guī)開關(guān)電源電路中需要專門設(shè)置抑制電磁干擾的電路(這個電路是存在損耗的)。

開關(guān)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu))，但受當時的技術(shù)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(guān)，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(yīng)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(jié)語

如今對于開關(guān)電源設(shè)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(yīng)用，他們所剩下的就是想辦法提高自己的技術(shù)水平，同時創(chuàng)造更好的應(yīng)用機會和市場份額。