更高能量轉(zhuǎn)換效率的電源解決方案

　　美國(guó)EPA的能源之星計(jì)劃對(duì)計(jì)算機(jī)在各種負(fù)載下的最小效率制定了標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)企業(yè)服務(wù)器、外置電源模塊和機(jī)頂盒的標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。能源之星的標(biāo)準(zhǔn)很快被日本、中國(guó)、歐洲和澳大利亞所采納。電源在減少能源消耗方面將發(fā)揮關(guān)鍵作用，在如何提高效率上出現(xiàn)了一些新的關(guān)注重點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)拓?fù)浼夹g(shù)

　　輸入電壓范圍、輸出電流和輸出電壓決定了選用何種拓?fù)浞桨浮Ｔ谏逃玫母呷萘侩娫粗?，選用何種拓?fù)涞臎Q定因素常常是成本，設(shè)計(jì)者對(duì)拓?fù)涞氖煜こ潭?，以及元器件是否容易采?gòu)。

　　常用的傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是單開關(guān)前向（1Sw）、雙開關(guān)前向（2Sw）和雙開關(guān)半橋（HB）結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)可以提供穩(wěn)定的具有成本效益的解決方案，但在一定的成本約束下，達(dá)不到所需的效率。典型的電源適配器和高容量電源的峰值效率可以達(dá)到60%～70%，但在輕負(fù)載條件下的效率很差。目前的法規(guī)要求，在20%、50%和滿負(fù)載條件下的效率都要達(dá)到80%，而且還必須保持非常低的待機(jī)功耗。

　　開關(guān)前向

　　開關(guān)前行拓?fù)洌ㄒ妶D1）是極為常用的一種結(jié)構(gòu)，容易設(shè)計(jì)、性能穩(wěn)定、成本低廉，并且所需的元器件也較少。在滿載或接近滿載的情況下，這種拓?fù)涞男适芟抻?0%的占空比，低占空比會(huì)使匝數(shù)比相對(duì)較低，原邊電流相對(duì)較高。在輕負(fù)載條件下，開關(guān)損失會(huì)使效率變得很差。在現(xiàn)在的很多設(shè)計(jì)中，常采用PFC（功率因數(shù)校正）前端來(lái)減少諧波電流。當(dāng)采用功率因數(shù)校正的輸出電壓在400V以內(nèi)時(shí)，單開關(guān)前向必須使用耐壓大于900V的開關(guān)FET，這樣就會(huì)增加成本。

　　圖1 簡(jiǎn)單穩(wěn)定的1-Sw前向拓補(bǔ)

　　雙開關(guān)前向

　　2-Sw開關(guān)前向拓?fù)洌ㄒ妶D2）是在單開關(guān)前向的基礎(chǔ)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)，旨在解決開關(guān)電壓范圍較窄的問(wèn)題。這種拓?fù)涮岣吡碎_關(guān)的電壓等級(jí)，以使輸入電壓最大化，但不需要兩個(gè)開關(guān)，其結(jié)構(gòu)仍然是硬開關(guān)拓?fù)?，因此開關(guān)損耗較高。為驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的MOSFET所增加的啟動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)器使得系統(tǒng)的復(fù)雜度也提高了。

　　圖2 2-Sw前向拓補(bǔ)降低對(duì)開關(guān)管的電壓要求

　　半橋拓?fù)?/STRONG>

　　半橋轉(zhuǎn)換器（見圖3）可以滿足更高輸出功率的要求。半橋轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行兩個(gè)四象限操作，降低了原邊FET的電流應(yīng)力，這一點(diǎn)類似于雙開關(guān)前向轉(zhuǎn)換器。變壓器的結(jié)構(gòu)和輸出整流比前向拓?fù)涞母鼮閺?fù)雜，同前向轉(zhuǎn)換器一樣，半橋轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗也是一個(gè)很大的問(wèn)題。

　　圖3 半橋拓補(bǔ)適合高電流應(yīng)用

　新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　一些所謂新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其實(shí)并不真是新的，有些已經(jīng)被提出很長(zhǎng)時(shí)間了。但在商用的高容量系統(tǒng)中采用這些拓?fù)溥€是最近幾年的事情，其原因是更高的效率要求和新型的IC使得這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有了很好的成本效益。

　　有源鉗位前向拓?fù)洌ㄒ妶D4）是一種軟開關(guān)拓?fù)?，雖然看起來(lái)像傳統(tǒng)的前向拓?fù)?，但一直以?lái)都被認(rèn)為難以部署，因此基本上只在非常特定的高功率應(yīng)用中采用，主要是電信行業(yè)。

　　圖4 NCP1562采用的有源鉗位拓補(bǔ)是一種軟開關(guān)技術(shù)

　　這個(gè)設(shè)計(jì)中，在主開關(guān)關(guān)斷的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，用與輔助開關(guān)并聯(lián)的電容器對(duì)變壓器進(jìn)行復(fù)位，避免了在單開關(guān)前向設(shè)計(jì)中的死區(qū)時(shí)間問(wèn)題。由于低開關(guān)損耗和大于50%的占空比，這種拓?fù)湓谡麄€(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)很高的效率。在擴(kuò)展的占空比下工作降低了原邊電流，減小了開關(guān)管上的應(yīng)力，而且還具有自驅(qū)動(dòng)的同步整流。這種拓?fù)淇梢允褂玫碗妷阂彩堑统杀镜腗OSFET，在同步整流中是很好的選擇。采用有源鉗位器件和控制有源鉗位FET看起來(lái)會(huì)增加復(fù)雜度，但由于無(wú)須采用緩沖器、復(fù)位電路，對(duì)開關(guān)管的各項(xiàng)要求降低了，會(huì)抵消所增加的復(fù)雜度。

　　安森美半導(dǎo)體公司等器件廠商所提供的先進(jìn)IC極大簡(jiǎn)化了這種拓?fù)涞牟渴?，在高容量?yīng)用中采用這種拓?fù)淇捎行У亟档推骷杀尽Ｈ欢?，與雙開關(guān)前向或半橋轉(zhuǎn)換器相比，有源鉗位前向拓?fù)溥€是需要較高電壓等級(jí)的開關(guān)管。

　　LLC（電感-電感-電容）諧振拓?fù)洌ㄒ妶D5）是最適合需要高輸出電壓的LCD和等離子電視等應(yīng)用的技術(shù)，與有源鉗位拓?fù)湎嗨?，這種拓?fù)湟彩且环N軟開關(guān)拓?fù)洌梢詫?shí)現(xiàn)非常高的效率。這種拓?fù)洳恍枰姼校瑥亩档土顺杀竞统叽?，在原邊器件上的?yīng)力也減小了。

　　圖5 LLC諧振半橋拓補(bǔ)適合需要高輸出電壓的應(yīng)用

　　這種拓?fù)湟灿幸恍┤秉c(diǎn)，包括非常復(fù)雜的電磁設(shè)計(jì)、變化的頻率和輸出電容器中的高紋波電流，而且較難實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓。

　　比較

　　● 原邊開關(guān)管：對(duì)300～400Vdc的輸入電壓，有源鉗位拓?fù)涞脑叿逯惦娏魇亲畹偷摹?-Sw和2-Sw前向拓?fù)涞牡刃щ娏髋c有源鉗位拓?fù)涞碾娏飨嘟?，但由于MOSFET電壓等級(jí)不同，使得導(dǎo)通損耗要高一些。

　　● 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的直流二次側(cè)整流器電壓應(yīng)力是最低的，其次是有源鉗位轉(zhuǎn)換器，然后是1-Sw和2-Sw前向轉(zhuǎn)換器。由于開關(guān)尖峰的原因，傳統(tǒng)拓?fù)渲械亩蝹?cè)應(yīng)力還要高。

　　● 由于不需要輸出電感，諧振半橋拓?fù)涞碾姶旁O(shè)計(jì)顯然比較簡(jiǎn)單，然而，變壓器的設(shè)計(jì)難度會(huì)大大增加。與傳統(tǒng)的前向轉(zhuǎn)換器相比，有源鉗位轉(zhuǎn)換器的輸出電感的尺寸要小13%左右。

　　● 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的輸出電容器的電流紋波是最高的。

　　● 有源鉗位前向轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)很高的開關(guān)頻率（200～300kHz），而硬開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)頻率通常低于150kHz。諧振半橋轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率是可變的，在滿負(fù)載和低輸出電壓情況下，典型的最低頻率一般設(shè)定在60～70kHz，最高頻率可以達(dá)到數(shù)百千赫茲。