能源效率在電源設(shè)計(jì)中一直扮演著非常重要的角色。具有不可忽略的功率損耗的低效電源會(huì)給系統(tǒng)和最終用戶帶來額外成本。我們不要忘記，對更高效率水平的追求導(dǎo)致了從線性穩(wěn)壓器到更高效開關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，尤其是在電源應(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(dòng)整改

同步整流器，也稱為有源整流器，用于提高二極管整流器電路的效率，二極管整流器電路通常存在于開關(guān)電源中。普通的半導(dǎo)體二極管被有源元件取代，通常是 BJT 或 MOSFET 功率晶體管，它們以一定的頻率進(jìn)行開關(guān)，以便將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這些整流電路被稱為同步電路，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，從而降低電源的整體成本。在圖 1 的上半部分，顯示了帶有整流二極管的降壓轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典方案，而在同一圖的下半部分，有源整流器的優(yōu)點(diǎn)是它的導(dǎo)通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?R DS(on)非常低，低至幾十毫歐或更低。因此，該電阻上的壓降遠(yuǎn)低于二極管上的壓降。SR 技術(shù)的缺點(diǎn)是它需要一個(gè)能夠確保 MOSFET 的開關(guān)與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

緩沖器和夾子

緩沖器具有降低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)損耗和射頻輻射。夾具執(zhí)行的功能要簡單得多；也就是說，它只是降低了電壓尖峰的幅度，而沒有對發(fā)射頻譜有益。在圖 2 中，我們可以看到經(jīng)典鉗位和緩沖電路的示例，而圖 3 則顯示了它們對以增強(qiáng)紋波為特征的波形（電壓）產(chǎn)生的影響。

圖 2：鉗位和緩沖電路示例

圖 3：緩沖器和鉗位產(chǎn)生的影響

有源鉗位電路

反激式轉(zhuǎn)換器簡單且便宜，但由于開關(guān)晶體管承受高壓應(yīng)力，因此它們在低功率應(yīng)用（小于 100 W）中的使用受到限制。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，反激式轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在變壓器的初級繞組中。在“關(guān)閉”期間，能量被轉(zhuǎn)移到次級并從那里轉(zhuǎn)移到輸出。電流同時(shí)在初級和次級繞組中流動(dòng)，但不會(huì)同時(shí)在兩者中流動(dòng)。圖 4 顯示了具有由晶體管和電容器組成的有源鉗位電路的反激式轉(zhuǎn)換器的方案。與傳統(tǒng)的電阻-電容-二極管 (RCD) 類型相比，有源鉗位以固定開關(guān)頻率獲得晶體管的零電壓開關(guān) (ZVS)，從而提高效率和 EMI。

圖 4：反激式轉(zhuǎn)換器中的有源鉗位電路

準(zhǔn)諧振電路

準(zhǔn)諧振拓?fù)鋺?yīng)用于 SMPS 以減少或消除與頻率相關(guān)的開關(guān)損耗，從而提高效率并降低設(shè)備的工作溫度。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是在低功率下會(huì)產(chǎn)生較高的損耗，但幾乎所有現(xiàn)代電源中的頻率鉗電路都消除了這種缺點(diǎn)。準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器通常包含 LC 網(wǎng)絡(luò)，其電壓和電流在開關(guān)周期內(nèi)呈正弦變化。現(xiàn)在考慮經(jīng)典的降壓轉(zhuǎn)換器方案，如圖 5 所示。為方便起見，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：經(jīng)典降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

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。第一個(gè)對應(yīng)于由 PWM 信號(hào)控制的傳統(tǒng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。另一方面，由于引入了 LC 網(wǎng)絡(luò)，第二個(gè)電路為電路增加了準(zhǔn)諧振功能。術(shù)語“零電流開關(guān)”(ZCS) 是這些轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢之一，因?yàn)樗档土碎_關(guān)損耗。此外，準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器能夠在比類似 PWM 轉(zhuǎn)換器更高的頻率下運(yùn)行。

圖 6：準(zhǔn)諧振降壓轉(zhuǎn)換器

功率因數(shù)校正 (PFC)

功率因數(shù) (PF) 定義為有功功率與視在功率之比。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曲線。因此，PF 由輸入電流和輸入電壓之間的相位角的余弦給出，并且是電流對負(fù)載上可用實(shí)際功率的貢獻(xiàn)程度的指標(biāo)。例如，PF 等于 1 表示 100% 的電流有助于為負(fù)載供電。國際法規(guī)對許多由電源電壓供電的設(shè)備的輸入電流中的諧波含量施加了限制，例如電視電源、照明電子鎮(zhèn)流器和電機(jī)控制電路。正確設(shè)計(jì)的 PFC 級可確保電流始終與交流輸入電壓同相。圖 7顯示了三種不同的有源 PFC 拓?fù)洹Ｗ畋阋说?PFC 解決方案肯定是升壓拓?fù)?，而升降?PFC 解決方案能夠提供輸出隔離和可調(diào)輸出電壓。在三個(gè)提議中，降壓拓?fù)涮峁┳畹偷?PFC。

圖 7：有源 PFC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)



審核編輯：劉清