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效率是電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。來(lái)自各個(gè)方面的壓力都迫使新電源的設(shè)計(jì)者努力提高其效率。本文將討論對(duì)更高的效率的需求，并展示設(shè)計(jì)一個(gè)電源時(shí)可采用的針對(duì)效率的優(yōu)化方法。本文還將研究不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并研究開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的影響。本文主要關(guān)注隔離型開(kāi)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(jìn)行的折中取舍。而一個(gè)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(jì)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(jiàn)：更高的效率等同于更少的浪費(fèi)。中國(guó)的CECP（節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心）、美國(guó)的EPA（環(huán)保局）以及的其他執(zhí)法機(jī)構(gòu)都正在制定關(guān)于電源效率方面的新的、嚴(yán)格的指導(dǎo)方針。
OEM們也提高了效率方面的指標(biāo)要求。在系統(tǒng)層次上，客戶(hù)并不希望由于采用低效率的電源而浪費(fèi)金錢(qián)。率的電源，其可靠性往往更高，這對(duì)許多客戶(hù)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常重要的考慮因素。從長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)，這可以節(jié)省成本，因?yàn)橄到y(tǒng)的壽命更長(zhǎng)，所需的維修工作量和質(zhì)量擔(dān)保方面的成本也可以下降。
隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性和計(jì)算能力的提升，客戶(hù)也提出了更高的功率需求。同時(shí)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?？梢赃_(dá)到15W/in3。這就帶來(lái)了對(duì)更小的散熱器和元件的需求。因?yàn)闊岷纳⑹枪β首儞Q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(shí)*可行的措施。
多高的效率，才可以算作率？
率是一個(gè)抽象的詞眼。在哪些因素決定了一個(gè)電源是否屬于率器件這一問(wèn)題上，人們形成了多種不同的觀點(diǎn)和派別。本文所關(guān)心的焦點(diǎn)是AC－DC電源，因此80％以上的效率就可以被視為率?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上可買(mǎi)到的電源中，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了90％的效率，但這些產(chǎn)品所瞄準(zhǔn)的都是市場(chǎng)。
輕負(fù)載時(shí)的效率
在這個(gè)問(wèn)題上，規(guī)范和常識(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)生沖突。這一問(wèn)題是在歷*形成的，當(dāng)時(shí)效率在許多設(shè)計(jì)中都不是一個(gè)關(guān)鍵的因素。在電源壽命的絕大部分時(shí)間內(nèi)，工作負(fù)載都低于60％。電源很少在滿(mǎn)負(fù)荷下（100%）長(zhǎng)時(shí)間工作。然而，在設(shè)計(jì)之初所收到的規(guī)格要求卻僅僅針對(duì)滿(mǎn)負(fù)荷的情況來(lái)給出，于是設(shè)計(jì)也是針對(duì)滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的效率進(jìn)行優(yōu)化的。
制造商現(xiàn)在則以輕負(fù)載時(shí)的效率來(lái)作為其設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)實(shí)在在的賣(mài)點(diǎn)，因?yàn)檫@能更好地反映出電源的真實(shí)性能。他們與自己的客戶(hù)合作，將更能反映設(shè)計(jì)的典型工作條件的指標(biāo)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(fù)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(lái)改善在全部負(fù)載譜范圍內(nèi)的效率。在輕負(fù)載條件下，開(kāi)關(guān)損耗占到了主要地位，而在更大的負(fù)載下，導(dǎo)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(fù)載電流關(guān)系圖
變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是系統(tǒng)總體效率的主要影響因素。對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，往往離不開(kāi)在成本、功耗、尺寸、開(kāi)關(guān)頻率和效率之間作出的、復(fù)雜的折中取舍?，F(xiàn)在要作出若干方面不同的選擇，下面將討論其中zui常見(jiàn)的選擇。
在功率較低（zui高為200W）的低效率設(shè)計(jì)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(jiàn)。這些設(shè)計(jì)的效率較低，因?yàn)樗鼈冎荒茉谝话氲拈_(kāi)關(guān)周期中完成功率的傳遞。在開(kāi)關(guān)周期的另一半時(shí)間內(nèi)，變壓器需要將其所儲(chǔ)存的任何能量都耗散掉（漏電感）。這部分能量就被浪費(fèi)掉了，總的系統(tǒng)效率被降低。由于開(kāi)關(guān)元件上所承受的電壓和電流過(guò)大，因此，它們不能用于功率更高的應(yīng)用。
半橋整流是對(duì)正激變換器（以及反激變換器）方法的一種改進(jìn)，因?yàn)樗蛔岄_(kāi)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(kāi)關(guān)上的更低的電壓意味著開(kāi)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(gè)緩沖電路中耗散掉）的優(yōu)點(diǎn)，因此帶來(lái)了效率的提高。
全橋整流則更進(jìn)一步，可以開(kāi)關(guān)更大的功率。從效率的角度來(lái)看，它是優(yōu)先采用的方法，因?yàn)樗鼁ui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(kāi)關(guān)電流僅僅是前者的一半。這也意味著更小的損耗。
導(dǎo)通損耗
常規(guī)的技術(shù)采用二極管來(lái)進(jìn)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(kāi)啟導(dǎo)通。在一個(gè)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(gè)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?yàn)槿绱?，我們常?？梢栽谳敵鲭妷焊叩碾娦艖?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(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)而不是二極管（如圖3中的SR1& SR2）。在關(guān)斷時(shí)，MOSFET可以阻止負(fù)向電壓，而僅傳導(dǎo)正向電流。這意味著它的作用類(lèi)似于一個(gè)傳統(tǒng)的二極管，僅讓某個(gè)方向的電流通過(guò)，這實(shí)際上構(gòu)成了電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性的安全保護(hù)元件。它不需要出現(xiàn)正向壓降即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。相反，開(kāi)關(guān)電流造成的損耗由MOSFET的RDSON來(lái)決定。
RDSON的典型值大約為5mW量級(jí)。不過(guò)，在一個(gè)100A的電源中，這會(huì)帶來(lái)5mΩ × 100A＝ 500mV的電壓降，幾乎與一個(gè)二極管相當(dāng)。因此，大電流的電源需要將多個(gè)MOSFET并聯(lián)起來(lái)，以減少等效的RDSON，從而進(jìn)一步降低導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，也應(yīng)用于率電源設(shè)計(jì)中。對(duì)同步整流開(kāi)關(guān)的時(shí)序關(guān)系的優(yōu)化也很關(guān)鍵——否則，就體現(xiàn)不出來(lái)同步整流的優(yōu)點(diǎn)。
開(kāi)關(guān)損耗
在減小開(kāi)關(guān)電源的尺寸和重量方面所遇到的主要障礙是開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率與效率直接相關(guān)。如果開(kāi)關(guān)頻率低的話，磁元件（變壓器和電感）需要儲(chǔ)存能量的時(shí)間就更長(zhǎng)。如果確實(shí)要做到這一點(diǎn)，就需要采用大尺寸的磁元件。這一般來(lái)說(shuō)不具實(shí)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(jìn)一步增大其尺寸將并不現(xiàn)實(shí)。此外，體積較大的磁元件，其損耗也會(huì)越大，效率會(huì)相應(yīng)下降。尺寸較小的磁體價(jià)格更低，因此，技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是提高開(kāi)關(guān)頻率。
但是，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，開(kāi)關(guān)的損耗也會(huì)上升。開(kāi)關(guān)的損耗是由于開(kāi)關(guān)的非理想因素所造成的（雜散電容和非零的開(kāi)關(guān)時(shí)間）。這意味著需要尺寸更大、更為昂貴的開(kāi)關(guān)，使得總體目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。因此，必須實(shí)現(xiàn)某種折中平衡。正是因?yàn)檫@些原因，大多數(shù)可買(mǎi)到的隔離型開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率在50kHz～400kHz之間。
開(kāi)關(guān)損耗的減小，可以通過(guò)若干種方法實(shí)現(xiàn)。在功率晶體管中出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗兩部分。導(dǎo)通損耗可以由流過(guò)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(dòng)態(tài)過(guò)程所決定。開(kāi)關(guān)雜散電容中所儲(chǔ)存的能量可以由下式給出：W = 1/2CV2。由于開(kāi)關(guān)兩端的電壓可以遠(yuǎn)大于100V，這會(huì)造成相當(dāng)大的損耗。
既然開(kāi)關(guān)損耗的高低直接取決于開(kāi)關(guān)時(shí)的電流和電壓差，很顯然，在開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)）可以用于改善效率。ZVS控制開(kāi)關(guān)的時(shí)序關(guān)系，使之在電感電流接近零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)MOSFET開(kāi)關(guān)的時(shí)序被控制為與輸入波形的過(guò)零點(diǎn)同步時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗將得以降低。ZVS的一個(gè)實(shí)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(gè)原因。它可以實(shí)現(xiàn)在變壓器尺寸和開(kāi)關(guān)損耗方面實(shí)現(xiàn)良好的平衡。
諧振變換器拓?fù)浣Y(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(méi)能得到廣泛地應(yīng)用。諧振式變換器拓?fù)淇梢宰岄_(kāi)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?yàn)椋c模擬控制器相比，它們對(duì)這些波動(dòng)的補(bǔ)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(gè)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(chǎng)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(dòng)的結(jié)果。負(fù)載損耗則隨著變壓器的負(fù)載變化而變化。它們包括了變壓器的原邊和副邊導(dǎo)體的熱損耗和渦流損耗。
繞組材料中的熱損耗，也稱(chēng)為I2R損耗，是負(fù)載損耗中的zui大的一部分。它們由變壓器中的導(dǎo)體的寄生電阻所產(chǎn)生。通過(guò)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(huì)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(jí)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(lèi)更為多樣化的工作模式，提高其工作的效率。人們對(duì)此開(kāi)展了大量的研究，這在每年的APEC會(huì)議（www.apec.com）上反映出來(lái)，在這個(gè)會(huì)議上研究者都會(huì)提出若干種率的PFC解決方案。效率的提升是否能補(bǔ)償采用這些新的方法所必須付出的額外代價(jià)，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(gè)重要的組成單元。它可以起到過(guò)流保護(hù)（OCP）、電流監(jiān)測(cè)和電流分擔(dān)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(fù)載。為了執(zhí)行這一功能，每個(gè)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(jìn)行比較。實(shí)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(gè)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(fù)載電流的大小。即使一個(gè)200mV的電壓降也會(huì)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(huì)帶來(lái)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(duì)原邊電流的敏感。一個(gè)電流互感器被用來(lái)輸送電流信息，使之跨越隔離到達(dá)裝有電流分擔(dān)電路的副邊。這一功能電路就是圖3中的T2。不過(guò)，正如我們已經(jīng)提到過(guò)的那樣，電流互感器的精度要低于一個(gè)敏感電阻的。
智能電源管理
隨著電源監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)跨入數(shù)字化時(shí)代，效率的改進(jìn)空間也越來(lái)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(lái)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(shí)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(fù)載條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。模擬環(huán)路使用了無(wú)源元件來(lái)實(shí)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(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用數(shù)字化控制器后，時(shí)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(duì)每個(gè)周期的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)。這意味著控制器可以實(shí)現(xiàn)智能決策，并實(shí)時(shí)針對(duì)*效率的目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)考慮到溫度、負(fù)載波動(dòng)等因素。它還能更好地控制ZVS拓?fù)洹?/p>
另外，還可以集成脈沖跨跳模式（pulse skipping），這可以提高輕負(fù)載條件下的效率。在輕負(fù)載條件下，同步整流確實(shí)會(huì)降低效率，而數(shù)字控制的電源一旦檢測(cè)出電源處于輕負(fù)載工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)關(guān)閉同步整流功能。一代的數(shù)字化解決方案目前在價(jià)格上已經(jīng)可以與模擬解決方案相比，而在未來(lái)將有望實(shí)現(xiàn)更大的成本削減。
設(shè)計(jì)
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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖2常規(guī)的電源。汽車(chē)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(duì)環(huán)境的消耗并獲得技術(shù)的設(shè)計(jì)，成本通常是設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)的選擇，但是成本是主要的影響因素。添加的每一個(gè)元件都會(huì)增加成本，無(wú)論它是采用全橋和同步整流時(shí)增添的開(kāi)關(guān)、還是采用ZVS時(shí)需要添加的電感和電容。于是，只有在性能指標(biāo)上確有要求時(shí)或者效率的成本低于減少能量的浪費(fèi)的成本時(shí)，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(shí)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(duì)人們追求效率更高的電源的趨勢(shì)進(jìn)行了分析。效率的提高是在效率、成本、尺寸和開(kāi)關(guān)頻率等指標(biāo)之間進(jìn)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(fù)載范圍上提供更高的效率。zui后，電源的設(shè)計(jì)者不得不盡力降低成本，因此，只要法規(guī)和客戶(hù)沒(méi)有提出其他的指標(biāo)要求，則效率是*個(gè)要犧牲的指標(biāo)。
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