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效率是電源設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。來自各個方面的壓力都迫使新電源的設(shè)計者努力提高其效率。本文將討論對更高的效率的需求，并展示設(shè)計一個電源時可采用的針對效率的優(yōu)化方法。本文還將研究不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)，并研究開關(guān)損耗和導通損耗的影響。本文主要關(guān)注隔離型開關(guān)電源。這種結(jié)構(gòu)既適用于DC－DC變換器，也適用于AC－DC變換器。文中也將討論必須在效率和系統(tǒng)成本之間進行的折中取舍。而一個AC－DC隔離型電源將被用作示例。
原因何在？
環(huán)保、法規(guī)、成本的削減、可靠性和新興的技術(shù)，是試圖設(shè)計一款效率更高的電源的理由。環(huán)保方面的理由是顯而易見：更高的效率等同于更少的浪費。中國的CECP（節(jié)能產(chǎn)品認證中心）、美國的EPA（環(huán)保局）以及的其他執(zhí)法機構(gòu)都正在制定關(guān)于電源效率方面的新的、嚴格的指導方針。
OEM們也提高了效率方面的指標要求。在系統(tǒng)層次上，客戶并不希望由于采用低效率的電源而浪費金錢。率的電源，其可靠性往往更高，這對許多客戶來說，是一個非常重要的考慮因素。從長期來說，這可以節(jié)省成本，因為系統(tǒng)的壽命更長，所需的維修工作量和質(zhì)量擔保方面的成本也可以下降。
隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性和計算能力的提升，客戶也提出了更高的功率需求。同時人們也需要更小的外形尺寸。在隔離式電源中，現(xiàn)在的功率密度常常可以達到15W/in3。這就帶來了對更小的散熱器和元件的需求。因為熱耗散是功率變換的直接效應(yīng)，現(xiàn)在散熱可用的空間就更小了。氣流也受到了密集排布的元件的阻礙。令情況更為復(fù)雜的是，由于功率密度的增加，能量損耗的密度也更為集中。更高的效率就意味著更低的熱耗散。提高電源效率正在迅速成為提高功率密度時*可行的措施。
多高的效率，才可以算作率？
率是一個抽象的詞眼。在哪些因素決定了一個電源是否屬于率器件這一問題上，人們形成了多種不同的觀點和派別。本文所關(guān)心的焦點是AC－DC電源，因此80％以上的效率就可以被視為率。現(xiàn)在，市場上可買到的電源中，有的已經(jīng)實現(xiàn)了90％的效率，但這些產(chǎn)品所瞄準的都是市場。
輕負載時的效率
在這個問題上，規(guī)范和常識有時會發(fā)生沖突。這一問題是在歷*形成的，當時效率在許多設(shè)計中都不是一個關(guān)鍵的因素。在電源壽命的絕大部分時間內(nèi)，工作負載都低于60％。電源很少在滿負荷下（100%）長時間工作。然而，在設(shè)計之初所收到的規(guī)格要求卻僅僅針對滿負荷的情況來給出，于是設(shè)計也是針對滿負荷時的效率進行優(yōu)化的。
制造商現(xiàn)在則以輕負載時的效率來作為其設(shè)計的一個實實在在的賣點，因為這能更好地反映出電源的真實性能。他們與自己的客戶合作，將更能反映設(shè)計的典型工作條件的指標收入其規(guī)范中，而不僅僅考慮的情況。CECP、EPA和其他組織，也正在研究關(guān)于輕負載條件下的效率的新的法規(guī)。新的革新性技術(shù)，例如數(shù)字化控制，正在被用來改善在全部負載譜范圍內(nèi)的效率。在輕負載條件下，開關(guān)損耗占到了主要地位，而在更大的負載下，導通損耗則占了主要部分。后面還將討論如何減小這些損耗。
圖1 一種隔離電源的效率－負載電流關(guān)系圖
變換器的拓撲結(jié)構(gòu)
變換器的拓撲結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)總體效率的主要影響因素。對拓撲結(jié)構(gòu)的選擇，往往離不開在成本、功耗、尺寸、開關(guān)頻率和效率之間作出的、復(fù)雜的折中取舍。現(xiàn)在要作出若干方面不同的選擇，下面將討論其中zui常見的選擇。
在功率較低（zui高為200W）的低效率設(shè)計中，成本是zui大的影響因素，反激（Flyback）和正激（Forward）變換器形式更為常見。這些設(shè)計的效率較低，因為它們只能在一半的開關(guān)周期中完成功率的傳遞。在開關(guān)周期的另一半時間內(nèi)，變壓器需要將其所儲存的任何能量都耗散掉（漏電感）。這部分能量就被浪費掉了，總的系統(tǒng)效率被降低。由于開關(guān)元件上所承受的電壓和電流過大，因此，它們不能用于功率更高的應(yīng)用。
半橋整流是對正激變換器（以及反激變換器）方法的一種改進，因為它只讓開關(guān)承受等于DC輸入電壓的電壓應(yīng)力。而這是在正激變換器上所出現(xiàn)的應(yīng)力的一半。開關(guān)上的更低的電壓意味著開關(guān)損耗的降低。它具有能循環(huán)利用任何漏電感電流（而不是讓其在一個緩沖電路中耗散掉）的優(yōu)點，因此帶來了效率的提高。
全橋整流則更進一步，可以開關(guān)更大的功率。從效率的角度來看，它是優(yōu)先采用的方法，因為它zui大限度減少了原邊的損耗，并zui大限度利用了變壓器。與半橋結(jié)構(gòu)相比，全橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)電流僅僅是前者的一半。這也意味著更小的損耗。
導通損耗
常規(guī)的技術(shù)采用二極管來進行整流。二極管與主功率通道（如圖2中的D2）相串聯(lián)。它一般需要產(chǎn)生0.7V的電壓降才能開啟導通。在一個3.3VOUT的系統(tǒng)中，這意味著二極管將耗散大約（0.7V/3.3V） = 21%的輸出功率，這意味著效率上的極大損失。在一個12 VOUT的電源中，二極管將造成約6％（0.7V / 12V）的效率損失。其影響隨著輸出電壓的上升而降低。正因為如此，我們常常可以在輸出電壓更高的電信應(yīng)用（48V）中看到二極管整流的應(yīng)用。
使用同步整流而非二極管整流，將能極大地提升效率。同步整流一般采用一個MOSFET開關(guān)而不是二極管（如圖3中的SR1& SR2）。在關(guān)斷時，MOSFET可以阻止負向電壓，而僅傳導正向電流。這意味著它的作用類似于一個傳統(tǒng)的二極管，僅讓某個方向的電流通過，這實際上構(gòu)成了電源設(shè)計中的一個關(guān)鍵性的安全保護元件。它不需要出現(xiàn)正向壓降即可實現(xiàn)導通。相反，開關(guān)電流造成的損耗由MOSFET的RDSON來決定。
RDSON的典型值大約為5mW量級。不過，在一個100A的電源中，這會帶來5mΩ × 100A＝ 500mV的電壓降，幾乎與一個二極管相當。因此，大電流的電源需要將多個MOSFET并聯(lián)起來，以減少等效的RDSON，從而進一步降低導通損耗。這是具有低輸出電壓、大輸出電流的電源所采用的標準設(shè)計方法，也應(yīng)用于率電源設(shè)計中。對同步整流開關(guān)的時序關(guān)系的優(yōu)化也很關(guān)鍵——否則，就體現(xiàn)不出來同步整流的優(yōu)點。
開關(guān)損耗
在減小開關(guān)電源的尺寸和重量方面所遇到的主要障礙是開關(guān)頻率。開關(guān)頻率與效率直接相關(guān)。如果開關(guān)頻率低的話，磁元件（變壓器和電感）需要儲存能量的時間就更長。如果確實要做到這一點，就需要采用大尺寸的磁元件。這一般來說不具實用性。磁元件可能已經(jīng)成為系統(tǒng)中尺寸zui大的元件，因此要進一步增大其尺寸將并不現(xiàn)實。此外，體積較大的磁元件，其損耗也會越大，效率會相應(yīng)下降。尺寸較小的磁體價格更低，因此，技術(shù)的發(fā)展趨勢是提高開關(guān)頻率。
但是，隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)的損耗也會上升。開關(guān)的損耗是由于開關(guān)的非理想因素所造成的（雜散電容和非零的開關(guān)時間）。這意味著需要尺寸更大、更為昂貴的開關(guān)，使得總體目標難以實現(xiàn)。因此，必須實現(xiàn)某種折中平衡。正是因為這些原因，大多數(shù)可買到的隔離型開關(guān)電源的開關(guān)頻率在50kHz～400kHz之間。
開關(guān)損耗的減小，可以通過若干種方法實現(xiàn)。在功率晶體管中出現(xiàn)的開關(guān)損耗包括導通損耗和關(guān)斷損耗兩部分。導通損耗可以由流過晶體管的寄生電容和電源變壓器的原邊繞組的電流所造成。關(guān)斷損耗由晶體管的關(guān)斷動態(tài)過程所決定。開關(guān)雜散電容中所儲存的能量可以由下式給出：W = 1/2CV2。由于開關(guān)兩端的電壓可以遠大于100V，這會造成相當大的損耗。
既然開關(guān)損耗的高低直接取決于開關(guān)時的電流和電壓差，很顯然，在開關(guān)時保證電流或者電壓為零，就可以消除這些損耗。這也就是為何MOSFET成為廣泛使用的功率晶體管的原因之一。它們的電流下降時間很短，這意味著MOSFET兩端的電壓出現(xiàn)顯著增加前，電流就幾乎下降到零。
ZVS（零電壓開關(guān)）可以用于改善效率。ZVS控制開關(guān)的時序關(guān)系，使之在電感電流接近零時關(guān)斷。當MOSFET開關(guān)的時序被控制為與輸入波形的過零點同步時，開關(guān)損耗將得以降低。ZVS的一個實現(xiàn)方式可如圖2所示，即添加電感L2。這也是ZVS成為隔離型電源中的常用方法的一個原因。它可以實現(xiàn)在變壓器尺寸和開關(guān)損耗方面實現(xiàn)良好的平衡。
諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)也可以提供很高的效率，但這些結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，因此沒能得到廣泛地應(yīng)用。諧振式變換器拓撲可以讓開關(guān)頻率提高到1MHz上。
數(shù)字控制器提供了能夠充分利用ZVS的能力，因為，與模擬控制器相比，它們對這些波動的補償要容易得多，而且成本更低。
磁損
變壓器磁芯的損耗由兩個因素所造成：磁滯和渦流損耗。磁滯損耗是磁化的AC電流的上升、下降以及方向的改變使得磁場方向不斷顛倒所致。渦流損耗是感應(yīng)出的電流在磁芯中循環(huán)流動的結(jié)果。負載損耗則隨著變壓器的負載變化而變化。它們包括了變壓器的原邊和副邊導體的熱損耗和渦流損耗。
繞組材料中的熱損耗，也稱為I2R損耗，是負載損耗中的zui大的一部分。它們由變壓器中的導體的寄生電阻所產(chǎn)生。通過采用每單位截面積的電阻很小的材料，可以減小這一電阻，而且不會顯著增加變壓器的成本。
PFC
AC－DC電源的PFC（功率因數(shù)修正）級已經(jīng)變得極為，在某些條件下可以將其輸入的96％送到輸出端。然而，新的方法已經(jīng)能夠覆蓋種類更為多樣化的工作模式，提高其工作的效率。人們對此開展了大量的研究，這在每年的APEC會議（www.apec.com）上反映出來，在這個會議上研究者都會提出若干種率的PFC解決方案。效率的提升是否能補償采用這些新的方法所必須付出的額外代價，還有待觀察。
敏感電阻或者電流互感器
電流的敏感部分是隔離型電壓的一個重要的組成單元。它可以起到過流保護（OCP）、電流監(jiān)測和電流分擔等作用。服務(wù)器電源中的大部分都構(gòu)成冗余系統(tǒng)，這意味著它們與其他的電源分享電流負載。為了執(zhí)行這一功能，每個電源需要了解它向系統(tǒng)所提供的電流是多少。它可以相應(yīng)將其輸出電流與系統(tǒng)中的其他電源進行比較。實現(xiàn)電流敏感的兩種主要方法是電流敏感電阻和電流互感器。敏感電阻法是在電源饋線上串聯(lián)一個小量值的敏感電阻（如圖2中所示的R2）。
電阻兩端的電壓降決定了產(chǎn)品所輸送的負載電流的大小。即使一個200mV的電壓降也會造成約為系統(tǒng)總輸出功率的2％的功率耗散。與電流互感器相比，敏感電阻將更為，而且線性度更高，但它們也會帶來這種功率上的損失。與敏感電阻法相比，電流互感器產(chǎn)生的損耗極小。這涉及對原邊電流的敏感。一個電流互感器被用來輸送電流信息，使之跨越隔離到達裝有電流分擔電路的副邊。這一功能電路就是圖3中的T2。不過，正如我們已經(jīng)提到過的那樣，電流互感器的精度要低于一個敏感電阻的。
智能電源管理
隨著電源監(jiān)測和控制系統(tǒng)跨入數(shù)字化時代，效率的改進空間也越來越大。這是數(shù)字電源日益流行的原因之一。數(shù)字控制使得人們能采取難度更大的措施來榨取效率。這也意味著電源可以在多種模式下工作。這是只能工作在單一模式下的模擬控制環(huán)路所不能實現(xiàn)的。在數(shù)字化的控制回路中，濾波器的特性可以根據(jù)負載條件進行調(diào)節(jié)。模擬環(huán)路使用了無源元件來實現(xiàn)濾波器功能，而元器件一旦焊接到電路板上，這一功能就無法進行調(diào)節(jié)。采用數(shù)字化控制器后，時序的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力也可以得到極大的提高，可以針對每個周期的時序關(guān)系進行調(diào)節(jié)。這意味著控制器可以實現(xiàn)智能決策，并實時針對*效率的目標進行優(yōu)化，同時考慮到溫度、負載波動等因素。它還能更好地控制ZVS拓撲。
另外，還可以集成脈沖跨跳模式（pulse skipping），這可以提高輕負載條件下的效率。在輕負載條件下，同步整流確實會降低效率，而數(shù)字控制的電源一旦檢測出電源處于輕負載工作狀態(tài)時，會關(guān)閉同步整流功能。一代的數(shù)字化解決方案目前在價格上已經(jīng)可以與模擬解決方案相比，而在未來將有望實現(xiàn)更大的成本削減。
設(shè)計
要減少電源中的功率耗散，可以采用多種辦法。圖2示出了一種常規(guī)電源。圖3示出了效率更高的電源拓撲結(jié)構(gòu)。
圖2常規(guī)的電源。汽車采用了模擬控制的正激變換器和二極管整流
圖3. 率電源。數(shù)字控制的全橋ZVS變換器，采用同步整流
成本
雖然人人都希望能減少對環(huán)境的消耗并獲得技術(shù)的設(shè)計，成本通常是設(shè)計過程中要考慮的zui重要的因素。尺寸的限制和法規(guī)可以影響到設(shè)計的選擇，但是成本是主要的影響因素。添加的每一個元件都會增加成本，無論它是采用全橋和同步整流時增添的開關(guān)、還是采用ZVS時需要添加的電感和電容。于是，只有在性能指標上確有要求時或者效率的成本低于減少能量的浪費的成本時，才設(shè)法提升相應(yīng)的效率。
結(jié)論
本文展示了提高電源效率時可采用的若干種技術(shù)。這里尚未討論其他幾種同樣能提率的技術(shù)。文章對人們追求效率更高的電源的趨勢進行了分析。效率的提高是在效率、成本、尺寸和開關(guān)頻率等指標之間進行復(fù)雜的折中取舍的結(jié)果。數(shù)字化的控制技術(shù)可以在全部負載范圍上提供更高的效率。zui后，電源的設(shè)計者不得不盡力降低成本，因此，只要法規(guī)和客戶沒有提出其他的指標要求，則效率是*個要犧牲的指標。
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