一種高效率AC/DC電源的設計 - 全文

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損耗。提高電源效率正在迅速成為提高功率密度時唯一可行的措施。本文討論的AC/DC電源，80%以上的效率就可以被視為高效率。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)品都是瞄準高端市場。

　　輕負載時的效率

　　以前，效率在許多設計中都不是一個關鍵的因素。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，于是設計也是針對滿負荷時的效率進行優(yōu)化的。現(xiàn)在，制造商則以輕負載時的效率作為其設計的賣點，因為這能更好地反映出電源的真實性能。CECP(中國節(jié)能產(chǎn)品認證中心)、EPA(美國環(huán)保局)和其它組織，也正在研究關于輕負載條件下的效率的新的法規(guī)。新的技術(shù)(例如數(shù)字化控制)正被用來改善在全部負載范圍內(nèi)的效率。在輕負載條件下，開關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(見圖1)。

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　　變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

　　變換器的拓撲結(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)總效率的主要因素。對拓撲結(jié)構(gòu)的選擇，往往離不?
　　開在成本、功耗、尺寸、開關頻率和效率之間折中取舍。在功率較低(最高為200W)的低效率設計中，成本是最大的影響因素，反激(Flyback)和正激(Forward)變換器形式更為常見。這些設計的效率較低，因為它們只能在一半的開關周期中完成功率的傳遞。在開關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)。由于這部分能量浪費了，所以總的系統(tǒng)效率降低。由于開關元件上所承受的電壓和電流過大，因此不能用于功率更高的應用。

　　半橋整流是對正激變換器(以及反激變換器)方法的改進，因為它只讓開關承受等于DC輸入電壓的電壓應力，而這是在正激變換器上所出現(xiàn)的應力的一半。開關上的更低的電壓意味著開關損耗的降低，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，因此提高了效率。全橋整流則更進一步，可以開/關更大的功率。從效率的角度來看，它是優(yōu)先采用的方法，因為它最大限度減少了初級線圈的損耗，并最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(見圖2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12VOUT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?？梢栽谳敵鲭妷焊叩碾娦艖?48V)中看到二極管整流的應用。

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　　使用同步整流能極大地提升效率。同步整流一般采用一個MOSFET開關而不是二極管(見圖3中的SR1和 SR2)。在關斷時，MOSFET可以阻止負向電壓，僅傳導正向電流，它不需要出現(xiàn)正向壓降即可實現(xiàn)導通。相反，開關電流造成的損耗由MOSFET的RDS(ON)來決定。RDS(ON)的典型值約為5mΩ。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RDS(ON)，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計方法，也應用于高效率電源設計中。對同步整流開關的時序關系的優(yōu)化也很關鍵，否則，就體現(xiàn)不出來同步整流的優(yōu)點。

　　開關損耗

　　在減小開關電源的尺寸和重量方面所遇到的主要障礙是開關頻率。開關頻率與效率直接相關。技術(shù)的發(fā)展趨勢是提高開關頻率，但是，隨著開關頻率的增加，開關的損耗也會上升。開關的損耗是由于開關的非理想因素所造成的(雜散電容和非零的開關時間)。因此，必須實現(xiàn)某種折中平衡。正是基于這些原因，大多數(shù)可買到的隔離型開關電源的開關頻率在50kHz～400kHz之間。

　　在功率晶體管中出現(xiàn)的開關損耗包括導通損耗和關斷損耗兩部分。導通損耗由流過晶體管的寄生電容和電源變壓器的初級繞組的電流所造成。關斷損耗由晶體管的關斷動態(tài)過程所決定。由于開關兩端的電壓可以遠大于100V，這會造成相當大的損耗。既然開關損耗的高低直接取決于開關時的電流和電壓差，很顯然，在開關時保證電流或者電壓為零，就可以消除這些損耗。這是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，因此MOSFET兩端的電壓顯著增加之前，電流就幾乎下降到零。

　　零電壓開關 (ZVS)可用于改善效率。ZVS控制開關的時序關系，使之在電感電流接近零時關斷。當MOSFET開關的時序被控制為與輸入波形的過零點同步時，開關損耗將得以降低。ZVS的一個實現(xiàn)方式(見圖3)，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損耗方面實現(xiàn)良好的平衡。數(shù)字控制器提供了能夠充分利用ZVS的能力，因為它們比模擬控制器對波動的補償要容易得多。

磁損

　　變壓器磁芯的損耗由兩個因素造成：磁滯和渦流損耗。磁滯損耗是磁化的交流電流的上升、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初級和次級線圈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)是負載損耗中的最大的一部分，由變壓器中導體的寄生電阻產(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，但不會顯著增加變壓器的成本。
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