电源设计说明：如何提高开关模式效率

能源效率在电源设计中一直扮演着非常重要的角色。具有不可忽略的功率损耗的低效电源会给系统和最终用户带来额外成本。我们不要忘记，对更高效率水平的追求导致了从线性稳压器到更高效开关技术的转变，尤其是在电源应用中。现在让我们详细了解一些可以提高开关电源 (SMPS) 效率的技术。

主动整改

同步整流器，也称为有源整流器，用于提高二极管整流器电路的效率，二极管整流器电路通常存在于开关电源中。普通的半导体二极管被有源元件取代，通常是 BJT 或 MOSFET 功率晶体管，它们以一定的频率进行开关，以便将交流输入电压转换为直流电压。这些整流电路被称为同步电路，因为开关必须与输入波形同步。同步整流 (SR) 技术可以提高效率、热管理、功率密度和可靠性，从而降低电源的整体成本。在图 1 的上半部分，显示了带有整流二极管的降压转换器的经典方案，而在同一图的下半部分，有源整流器的优点是它的导通电阻和压降比二极管低得多。MOSFET 晶体管是二极管的理想替代品，因为它们的 R DS(on)非常低，低至几十毫欧或更低。因此，该电阻上的压降远低于二极管上的压降。SR 技术的缺点是它需要一个能够确保 MOSFET 的开关与输入波形之间同步的控制电路。

图 1：SR 技术的应用示例

缓冲器和夹子

缓冲器具有降低电压尖峰幅度和降低电压变化率（dV/dt）的功能。其效果是减少开关损耗和射频辐射。夹具执行的功能要简单得多；也就是说，它只是降低了电压尖峰的幅度，而没有对发射频谱有益。在图 2 中，我们可以看到经典钳位和缓冲电路的示例，而图 3 则显示了它们对以增强纹波为特征的波形（电压）产生的影响。

图 2：钳位和缓冲电路示例

图 3：缓冲器和钳位产生的影响

有源钳位电路

反激式转换器简单且便宜，但由于开关晶体管承受高压应力，因此它们在低功率应用（小于 100 W）中的使用受到限制。当开关打开时，反激式转换器将能量存储在变压器的初级绕组中。在“关闭”期间，能量被转移到次级并从那里转移到输出。电流同时在初级和次级绕组中流动，但不会同时在两者中流动。图 4 显示了具有由晶体管和电容器组成的有源钳位电路的反激式转换器的方案。与传统的电阻-电容-二极管 (RCD) 类型相比，有源钳位以固定开关频率获得晶体管的零电压开关 (ZVS)，从而提高效率和 EMI。

图 4：反激式转换器中的有源钳位电路

准谐振电路

准谐振拓扑应用于 SMPS 以减少或消除与频率相关的开关损耗，从而提高效率并降低设备的工作温度。这种技术的缺点是在低功率下会产生较高的损耗，但几乎所有现代电源中的频率钳电路都消除了这种缺点。准谐振转换器通常包含 LC 网络，其电压和电流在开关周期内呈正弦变化。现在考虑经典的降压转换器方案，如图 5 所示。为方便起见，包含 MOSFET 晶体管的开关电路已用“开关网络”块表示。

图 5：经典降压转换器的原理图

在图 6 中，我们可以观察到“交换网络”块的两种不同配置。第一个对应于由 PWM 信号控制的传统开关网络。另一方面，由于引入了 LC 网络，第二个电路为电路增加了准谐振功能。术语“零电流开关”(ZCS) 是这些转换器的主要优势之一，因为它降低了开关损耗。此外，准谐振转换器能够在比类似 PWM 转换器更高的频率下运行。

图 6：准谐振降压转换器

功率因数校正 (PFC)

功率因数 (PF) 定义为有功功率与视在功率之比。在离线电源（即直接连接到交流电源的电源）中，电流和电压都是正弦曲线。因此，PF 由输入电流和输入电压之间的相位角的余弦给出，并且是电流对负载上可用实际功率的贡献程度的指标。例如，PF 等于 1 表示 100% 的电流有助于为负载供电。国际法规对许多由电源电压供电的设备的输入电流中的谐波含量施加了限制，例如电视电源、照明电子镇流器和电机控制电路。正确设计的 PFC 级可确保电流始终与交流输入电压同相。图 7显示了三种不同的有源 PFC 拓扑。最便宜的 PFC 解决方案肯定是升压拓扑，而升降压 PFC 解决方案能够提供输出隔离和可调输出电压。在三个提议中，降压拓扑提供最低的 PFC。

图 7：有源 PFC 的拓扑结构



审核编辑：刘清