解析提高開關(guān)電源（SMPS）效率的技術(shù)

能源效率在電源設(shè)計(jì)中一直扮演著非常重要的角色。低效率的電源，以及不可忽略的功率損耗，會給系統(tǒng)和最終用戶帶來額外的成本。我們不要忘記，對更高效率水平的追求已經(jīng)導(dǎo)致了從線性調(diào)節(jié)器到更高效的開關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，特別是在電力應(yīng)用中?，F(xiàn)在讓我們詳細(xì)了解一些可以提高開關(guān)電源（SMPS）效率的技術(shù)。

主動糾偏

同步整流器，也稱為有源整流器，用于提高二極管整流電路的效率，二極管整流電路通常存在于開關(guān)電源中。通常的半導(dǎo)體二極管被有源元件取代，通常是BJT或MOSFET功率晶體管，它們被制成開關(guān)頻率，以允許將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這些整流電路稱為同步電路，因?yàn)殚_關(guān)必須與輸入波形同步。同步整流（SR）技術(shù)可以提高效率、熱管理、功率密度和可靠性，降低電源的總體成本。圖1的上半部分顯示了帶整流二極管的buck變換器的經(jīng)典方案，而在同一圖的下半部分，肖特基二極管被MOSFET晶體管取代。有源整流器的優(yōu)點(diǎn)是它的傳導(dǎo)電阻和壓降比二極管低得多。MOSFET晶體管是二極管的理想替代品，因?yàn)樗鼈兊腞DS（on）非常低，低至幾十毫歐姆或更小。因此，這個電阻上的電壓降比二極管上的要低得多。SR技術(shù)的缺點(diǎn)是它需要一個能夠確保MOSFET開關(guān)和輸入波形之間同步的控制電路。

圖1：SR技術(shù)的應(yīng)用示例

緩沖器和鉗位

該緩沖電路具有減小電壓尖峰幅度和降低電壓變化率（dV/dt）的功能。其效果是減少開關(guān)損耗和射頻發(fā)射。鉗位執(zhí)行的功能要簡單得多；也就是說，它只是降低電壓尖峰的振幅，而不利于發(fā)射電磁波。在圖2中，我們可以看到典型的鉗位和緩沖電路的例子，而圖3顯示了它們對波形（電壓）產(chǎn)生的影響，其特征是波紋加劇。

圖2：鉗位和緩沖電路示例

圖3：緩沖器和鉗位產(chǎn)生的效應(yīng)

有源鉗位電路

反激變換器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但由于開關(guān)晶體管所承受的高壓應(yīng)力，其在低功率應(yīng)用（小于100w）中的應(yīng)用受到限制。當(dāng)開關(guān)接通時，反激變換器將能量儲存在變壓器的初級繞組中。在“關(guān)閉”期間，能量被傳輸?shù)蕉?，然后從那里傳輸?shù)捷敵觥?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流在一次繞組和二次繞組中同時流動，但決不會同時在兩個繞組中流動。圖4顯示了一個反激式變換器的結(jié)構(gòu)，其有源箝位電路由晶體管和電容器組成。與傳統(tǒng)的阻容二極管（RCD）相比，有源鉗位可以在固定的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)晶體管的零電壓開關(guān)（ZVS），提高了效率和EMI。

圖4：反激變換器中的有源鉗位電路

準(zhǔn)諧振電路

將準(zhǔn)諧振拓?fù)鋺?yīng)用于開關(guān)電源中，以減少或消除頻率相關(guān)開關(guān)損耗，從而提高效率，降低器件的工作溫度。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是在低功耗下產(chǎn)生更高的損耗，這一缺點(diǎn)被幾乎所有現(xiàn)代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準(zhǔn)諧振變換器通常包含L-C網(wǎng)絡(luò)，其電壓和電流在開關(guān)期間呈正弦變化?，F(xiàn)在考慮經(jīng)典的buck轉(zhuǎn)換器方案，如圖5所示。為了方便起見，包含MOSFET晶體管的開關(guān)電路已用“開關(guān)網(wǎng)絡(luò)”塊表示。

圖5：一個典型的buck轉(zhuǎn)換器的示意圖

在圖6中，我們可以觀察到“交換網(wǎng)絡(luò)”塊的兩種不同配置。第一種對應(yīng)于由PWM信號控制的傳統(tǒng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。另一方面，另一方面，由于L-C網(wǎng)絡(luò)的引入，電路增加了準(zhǔn)諧振功能。零電流開關(guān)是這些變換器的主要優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)樗梢詼p少開關(guān)損耗。此外，準(zhǔn)諧振變換器能夠在比類似的PWM變換器更高的頻率下工作。

圖6：準(zhǔn)諧振buck變換器

功率因數(shù)校正

功率因數(shù)（PF）定義為實(shí)際功率與視在功率之間的比率。在離線電源（即直接連接到交流電源的電源）中，電流和電壓都是正弦的。因此，PF由輸入電流和輸入電壓之間相位角的余弦給出，是電流對負(fù)載實(shí)際可用功率的貢獻(xiàn)程度的指標(biāo)。例如，PF等于1表示100%的電流為負(fù)載供電。國際法規(guī)對由電源電壓供電的許多設(shè)備（如電視電源、照明用電子鎮(zhèn)流器和電機(jī)控制電路）的輸入電流中的諧波含量進(jìn)行了限制。設(shè)計(jì)合理的PFC級可確保電流始終與交流輸入電壓相一致。圖7顯示了三種不同的主動PFC拓?fù)?。最便宜的PFC解決方案無疑是boost拓?fù)?，而buck-boost PFC解決方案能夠提供輸出隔離和可調(diào)輸出電壓。在三種方案中，buck拓?fù)涮峁┝俗畹偷腜FC。

圖7：有源PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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