高效率电源的设计

由于功率密度的增加，能量损耗的密度也更为集中。更高的效率就意味着更低的热损耗。提高电源效率正在迅速成为提高功率密度时唯一可行的措施。本文讨论的AC/DC电源，80%以上的效率就可以被视为高效率。现在，市场上可买到的电源中，有的已经实现了90%的效率，但这些产品都是瞄准高端市场。


  
轻负载时的效率

以前，效率在许多设计中都不是一个关键的因素。在电源寿命的绝大部分时间内，工作负载都低于60%。电源很少在满负荷下(100%)长时间工作。然而，在设计之初所收到的规格要求却仅仅针对满负荷的情况来给出，于是设计也是针对满负荷时的效率进行优化的。现在，制造商则以轻负载时的效率作为其设计的卖点，因为这能更好地反映出电源的真实性能。CECP(中国节能产品认证中心)、EPA(美国环保局)和其它组织，也正在研究关于轻负载条件下的效率的新的法规。新的技术(例如数字化控制)正被用来改善在全部负载范围内的效率。在轻负载条件下，开关损耗占到了主要地位，而在更大的负载下，导通损耗则占了主要部分(见图1)。
  
变换器的拓扑结构
  
变换器的拓扑结构是影响系统总效率的主要因素。对拓扑结构的选择，往往离不开在成本、功耗、尺寸、开关频率和效率之间折中取舍。在功率较低(最高为200W)的低效率设计中，成本是最大的影响因素，反激(Flyback)和正激(Forward)变换器形式更为常见。这些设计的效率较低，因为它们只能在一半的开关周期中完成功率的传递。在开关周期的另一半时间内，变压器需要将其所储存的任何能量都耗散掉(漏电感)。由于这部分能量浪费了，所以总的系统效率降低。由于开关元件上所承受的电压和电流过大，因此不能用于功率更高的应用。  

半桥整流是对正激变换器(以及反激变换器)方法的改进，因为它只让开关承受等于DC输入电压的电压应力，而这是在正激变换器上所出现的应力的一半。开关上的更低的电压意味着开关损耗的降低，它具有能循环利用任何漏电感电流(而不是让其在一个缓冲电路中耗散掉)的优点，因此提高了效率。全桥整流则更进一步，可以开/关更大的功率。从效率的角度来看，它是优先采用的方法，因为它最大限度减少了初级线圈的损耗，并最大限度利用了变压器。与半桥结构相比，全桥结构的开关电流仅仅是前者的一半。这也意味着更小的损耗。  

导通损耗  

常规的技术采用二极管来进行整流。二极管与主功率通道(见图2的D2)相串联。它一般需要产生0.7V的电压降才能开启导通。在一个3.3VOUT的系统中，这意味着二极管将耗散大约(0.7V/3.3V) = 21%的输出功率，这意味着效率上的极大损失。在一个12VOUT的电源中，二极管将造成约6%(0.7V / 12V)的效率损失。其影响随着输出电压的上升而降低。正因为如此，我们常常可以在输出电压更高的电信应用(48V)中看到二极管整流的应用。  


  

  

使用同步整流能极大地提升效率。同步整流一般采用一个MOSFET开关而不是二极管(见图3中的SR1和 SR2)。在关断时，MOSFET可以阻止负向电压，仅传导正向电流，它不需要出现正向压降即可实现导通。相反，开关电流造成的损耗由MOSFET的RDS(ON)来决定。RDS(ON)的典型值约为5mΩ。不过，在一个100A的电源中，这会带来5mΩ × 100A＝ 500mV的电压降，几乎与一个二极管相当。因此，大电流的电源需要将多个MOSFET并联起来，以减少等效的RDS(ON)，从而进一步降低导通损耗。这是具有低输出电压、大输出电流的电源所采用的标准设计方法，也应用于高效率电源设计中。对同步整流开关的时序关系的优化也很关键，否则，就体现不出来同步整流的优点。
  
开关损耗

在减小开关电源的尺寸和重量方面所遇到的主要障碍是开关频率。开关频率与效率直接相关。技术的发展趋势是提高开关频率，但是，随着开关频率的增加，开关的损耗也会上升。开关的损耗是由于开关的非理想因素所造成的(杂散电容和非零的开关时间)。因此，必须实现某种折中平衡。正是基于这些原因，大多数可买到的隔离型开关电源的开关频率在50kHz～400kHz之间。

在功率晶体管中出现的开关损耗包括导通损耗和关断损耗两部分。导通损耗由流过晶体管的寄生电容和电源变压器的初级绕组的电流所造成。关断损耗由晶体管的关断动态过程所决定。由于开关两端的电压可以远大于100V，这会造成相当大的损耗。既然开关损耗的高低直接取决于开关时的电流和电压差，很显然，在开关时保证电流或者电压为零，就可以消除这些损耗。这是MOSFET成为广泛使用的功率晶体管的原因之一。它们的电流下降时间很短，因此MOSFET两端的电压显著增加之前，电流就几乎下降到零。

零电压开关 (ZVS)可用于改善效率。ZVS控制开关的时序关系，使之在电感电流接近零时关断。当MOSFET开关的时序被控制为与输入波形的过零点同步时，开关损耗将得以降低。ZVS的一个实现方式(见图3)，即添加电感L2。这也是ZVS成为隔离型电源中的常用方法的一个原因。它可以实现在变压器尺寸和开关损耗方面实现良好的平衡。数字控制器提供了能够充分利用ZVS的能力，因为它们比模拟控制器对波动的补偿要容易得多。   

磁损

变压器磁芯的损耗由两个因素造成：磁滞和涡流损耗。磁滞损耗是磁化的交流电流的上升、下降以及方向的改变使得磁场方向不断颠倒所致。涡流损耗是感应出的电流在磁芯中循环流动的结果。负载损耗则随着变压器的负载变化而变化。它们包括了变压器的初级和次级线圈导体的热损耗和涡流损耗。绕组材料中的热损耗(也称为I2R损耗)是负载损耗中的最大的一部分，由变压器中导体的寄生电阻产生。通过采用每单位截面积的电阻很小的材料，可以减小这一电阻，但不会显著增加变压器的成本。