可以提高開關(guān)電源（SMPS）效率的技術(shù)有哪些？

能源效率在電源設(shè)計(jì)中一直扮演著非常重要的角色。電源效率低下且功率損耗不可忽略，這會(huì)給系統(tǒng)和最終用戶帶來額外的成本。不要忘記，對(duì)更高效率水平的追求已導(dǎo)致從線性穩(wěn)壓器到更高效的開關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，尤其是在電源應(yīng)用中。現(xiàn)在，讓我們?cè)敿?xì)了解一些可以提高開關(guān)電源（SMPS）效率的技術(shù)。

積極整改

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，該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)體二極管被有源組件（通常為BJT或MOSFET功率晶體管）代替，有源組件的開關(guān)頻率使得交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這些整流器電路稱為同步電路，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，從而降低電源的總體成本。在圖1的上部，顯示了帶有整流二極管的降壓轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典方案，而在該圖的下部，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晶體管具有極低的RDS（on），可低至幾十毫歐或更小，因此是二極管的理想替代品。因此，該電阻上的電壓降遠(yuǎn)低于二極管上的電壓降。SR技術(shù)的缺點(diǎn)是它需要一個(gè)控制電路，該電路能夠確保MOSFET的開關(guān)和輸入波形之間的同步。

圖1：SR技術(shù)的應(yīng)用示例

緩沖器和夾具

緩沖器具有減小電壓尖峰的幅度并減小電壓的變化率（dV / dt）的功能。其效果是減少開關(guān)損耗和射頻發(fā)射。夾具執(zhí)行的功能要簡(jiǎn)單得多。也就是說，它僅減小了電壓尖峰的幅度，而沒有使發(fā)射頻譜受益。在圖2中，我們可以看到經(jīng)典鉗位電路和緩沖電路的示例，而圖3顯示了它們對(duì)波形（電壓）產(chǎn)生的影響，該波形的特征是紋波加劇。

圖2：鉗位電路和緩沖電路的示例

圖3：緩沖和鉗位產(chǎn)生的影響

有源鉗位電路

反激轉(zhuǎn)換器既簡(jiǎn)單又便宜，但是由于開關(guān)晶體管會(huì)承受高電壓應(yīng)力，因此在低功率應(yīng)用（小于100 W）中其使用受到限制。當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，反激轉(zhuǎn)換器將能量存儲(chǔ)在變壓器的初級(jí)繞組中。在“關(guān)閉”期間，能量被傳遞到次級(jí)，再從次級(jí)傳遞到輸出。電流在初級(jí)繞組和次級(jí)繞組中均流過，但從未同時(shí)流過。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)換器方案。與傳統(tǒng)的電阻-電容-二極管（RCD）類型相比，有源鉗位獲得具有固定開關(guān)頻率的晶體管的零電壓開關(guān)（ZVS），從而提高了效率和EMI。

圖4：反激式轉(zhuǎn)換器中的有源鉗位電路

準(zhǔn)諧振電路

將準(zhǔn)諧振拓?fù)鋺?yīng)用于SMPS，以減少或消除頻率相關(guān)的開關(guān)損耗，從而提高效率并降低器件的工作溫度。這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是，在幾乎所有現(xiàn)代電源中都存在著頻率鉗位電路，從而消除了低功耗時(shí)產(chǎn)生較高損耗的問題。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?，F(xiàn)在考慮圖5所示的經(jīng)典降壓轉(zhuǎn)換器方案。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)”模塊的兩種不同配置。第一個(gè)對(duì)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)，第二種方法為電路增加了準(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)點(diǎn)之一，因?yàn)樗鼫p少了開關(guān)損耗。此外，準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器能夠以比類似PWM轉(zhuǎn)換器更高的頻率工作。

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，電流和電壓均為正弦波。結(jié)果，PF由輸入電流和輸入電壓之間的相位角的余弦值給出，并且是電流對(duì)負(fù)載上的有功功率貢獻(xiàn)多少的指標(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(duì)由市電電壓供電的許多設(shè)備（例如電視電源，照明電子鎮(zhèn)流器和電動(dòng)機(jī)控制電路）的輸入電流中的諧波含量進(jìn)行了限制。正確設(shè)計(jì)的PFC級(jí)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)?。最便宜的PFC解決方案肯定是升壓拓?fù)洌祲篜FC解決方案能夠提供輸出隔離和可調(diào)的輸出電壓。在這三個(gè)建議中，降壓拓?fù)涮峁┝俗畹偷腜FC。

圖7：活動(dòng)PFC的拓?fù)?/p>

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