一種高效率AC/DC電源的設(shè)計(jì) - 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(shí)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?，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)品都是瞄準(zhǔn)高端市場(chǎng)。

　　輕負(fù)載時(shí)的效率

　　以前，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?，F(xiàn)在，制造商則以輕負(fù)載時(shí)的效率作為其設(shè)計(jì)的賣(mài)點(diǎn)，因?yàn)檫@能更好地反映出電源的真實(shí)性能。CECP(中國(guó)節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心)、EPA(美國(guó)環(huán)保局)和其它組織，也正在研究關(guān)于輕負(fù)載條件下的效率的新的法規(guī)。新的技術(shù)(例如數(shù)字化控制)正被用來(lái)改善在全部負(fù)載范圍內(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(見(jiàn)圖1)。

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　　變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響系統(tǒng)總效率的主要因素。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)頻率和效率之間折中取舍。在功率較低(最高為200W)的低效率設(shè)計(jì)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(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)。由于這部分能量浪費(fèi)了，所以總的系統(tǒng)效率降低。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)，因此提高了效率。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畲笙薅葴p少了初級(jí)線(xiàn)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(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(見(jiàn)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(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)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?yàn)槿绱?，我們常常可以在輸出電壓更高的電信?yīng)用(48V)中看到二極管整流的應(yīng)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(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)而不是二極管(見(jiàn)圖3中的SR1和 SR2)。在關(guān)斷時(shí)，MOSFET可以阻止負(fù)向電壓，僅傳導(dǎo)正向電流，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RDS(ON)來(lái)決定。RDS(ON)的典型值約為5mΩ。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RDS(ON)，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)用于高效率電源設(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)。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)。因此，必須實(shí)現(xiàn)某種折中平衡。正是基于這些原因，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。

　　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)通損耗由流過(guò)晶體管的寄生電容和電源變壓器的初級(jí)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。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(shí)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(kāi)關(guān) (ZVS)可用于改善效率。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(見(jiàn)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(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。數(shù)字控制器提供了能夠充分利用ZVS的能力，因?yàn)樗鼈儽?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬控制器對(duì)波動(dòng)的補(bǔ)償要容易得多。

磁損

　　變壓器磁芯的損耗由兩個(gè)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(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初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈導(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)載損耗中的最大的一部分，由變壓器中導(dǎo)體的寄生電阻產(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，但不會(huì)顯著增加變壓器的成本。
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