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高效率电源的设计

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作者：Brendan Daly

效率是电源设计的关键参数。来自各个方面的压力都迫使新电源的设计者努力提高其效率。本文将讨论对更高的效率的需求，并展示设计一个电源时可采用的针对效率的优化方法。本文还将研究不同的电路拓扑结构，并研究开关损耗和导通损耗的影响。本文主要关注隔离型开关电源。这种结构既适用于DC－DC变换器，也适用于AC－DC变换器。文中也将讨论必须在效率和系统成本之间进行的折中取舍。而一个AC－DC隔离型电源将被用作示例。

原因何在？
环保、法规、成本的削减、可靠性和新兴的技术，是试图设计一款效率更高的电源的理由。环保方面的理由是显而易见：更高的效率等同于更少的浪费。中国的CECP（节能产品认证中心）、美国的EPA（环保局）以及全球的其他执法机构都正在制定关于电源效率方面的新的、严格的指导方针。

OEM们也提高了效率方面的指标要求。在系统层次上，客户并不希望由于采用低效率的电源而浪费金钱。高效率的电源，其可靠性往往更高，这对许多客户来说，是一个非常重要的考虑因素。从长期来说，这可以节省成本，因为系统的寿命更长，所需的维修工作量和质量担保方面的成本也可以下降。

随着系统的复杂性和计算能力的提升，客户也提出了更高的功率需求。同时人们也需要更小的外形尺寸。在隔离式电源中，现在的功率密度常常可以达到15W/in3。这就带来了对更小的散热器和元件的需求。因为热耗散是功率变换的直接效应，现在散热可用的空间就更小了。气流也受到了密集排布的元件的阻碍。令情况更为复杂的是，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耗散。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。

多高的效率，才可以算作高效率？
高效率是一个抽象的词眼。在哪些因素决定了一个电源是否属于高效率器件这一问题上，人们形成了多种不同的观点和派别。本文所关心的焦点是AC－DC电源，因此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，但这些产品所瞄准的都是高端市场。

轻负载时的效率
在这个问题上，规范和常识有时会发生冲突。这一问题是在历史上形成的，当时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。

制造商现在则以轻负载时的效率来作为其设计的一个实实在在的卖点，因为这能更好地反映出电源的真实性能。他们与自己的客户合作，将更能反映设计的典型工作条件的指标收入其规范中，而不仅仅考虑极端的情况。CECP、EPA和其他组织，也正在研究关于轻负载条件下的效率的新的法规。新的革新性技术，例如数字化控制，正在被用来改善在全部负载谱范围内的效率。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。后面还将讨论如何减小这些损耗。

图1 一种隔离电源的效率－负载电流关系图

变换器的拓扑结构
变换器的拓扑结构是系统总体效率的主要影响因素。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作出的、复杂的折中取舍。现在要作出若干方面不同的选择，下面将讨论其中最常见的选择。

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）。这部分能量就被浪费掉了，总的系统效率被降低。由于开关元件上所承受的电压和电流过大，因此，它们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）方法的一种改进，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，因此带来了效率的提高。

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原边的损耗，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（如图2中的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12 VOUT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。

使用同步整流而非二极管整流，将能极大地提升效率。同步整流一般采用一个MOSFET开关而不是二极管（如图3中的SR1& SR2）。在关断时，MOSFET可以阻止负向电压，而仅传导正向电流。这意味着它的作用类似于一个传统的二极管，仅让某个方向的电流通过，这实际上构成了电源设计中的一个关键性的安全保护元件。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RDSON来决定。

RDSON的典型值大约为5mW量级。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RDSON，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。如果开关频率低的话，磁元件（变压器和电感）需要储存能量的时间就更长。如果确实要做到这一点，就需要采用大尺寸的磁元件。这一般来说不具实用性。磁元件可能已经成为系统中尺寸最大的元件，因此要进一步增大其尺寸将并不现实。此外，体积较大的磁元件，其损耗也会越大，效率会相应下降。尺寸较小的磁体价格更低，因此，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）。这意味着需要尺寸更大、更为昂贵的开关，使得总体目标难以实现。因此，必须实现某种折中平衡。正是因为这些原因，大多数可买到的隔离型开关电源的开关频率在50kHz～400kHz之间。

开关损耗的减小，可以通过若干种方法实现。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。导通损耗可以由流过晶体管的寄生电容和电源变压器的原边绕组的电流所造成。关断损耗由晶体管的关断动态过程所决定。开关杂散电容中所储存的能量可以由下式给出：W = 1/2CV2。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。这也就是为何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，这意味着MOSFET两端的电压出现显著增加前，电流就几乎下降到零。

ZVS（零电压开关）可以用于改善效率。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的一个实现方式可如图2所示，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。

谐振变换器拓扑结构也可以提供很高的效率，但这些结构更复杂，因此没能得到广泛地应用。谐振式变换器拓扑可以让开关频率提高到1MHz上。

数字控制器提供了能够充分利用ZVS的能力，因为，与模拟控制器相比，它们对这些波动的补偿要容易得多，而且成本更低。

磁损
变压器磁芯的损耗由两个因素所造成：磁滞和涡流损耗。磁滞损耗是磁化的AC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原边和副边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。它们由变压器中的导体的寄生电阻所产生。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，而且不会显著增加变压器的成本。

PFC
AC－DC电源的PFC（功率因数修正）级已经变得极为高效，在某些条件下可以将其输入的96％送到输出端。然而，新的方法已经能够覆盖种类更为多样化的工作模式，提高其工作的效率。人们对此开展了大量的研究，这在每年的APEC会议（www.apec.com）上反映出来，在这个会议上研究者都会提出若干种高效率的PFC解决方案。效率的提升是否能补偿采用这些新的方法所必须付出的额外代价，还有待观察。

敏感电阻或者电流互感器
电流的敏感部分是隔离型电压的一个重要的组成单元。它可以起到过流保护（OCP）、电流监测和电流分担等作用。服务器电源中的大部分都构成冗余系统，这意味着它们与其他的电源分享电流负载。为了执行这一功能，每个电源需要了解它向系统所提供的电流是多少。它可以相应将其输出电流与系统中的其他电源进行比较。实现电流敏感的两种主要方法是电流敏感电阻和电流互感器。敏感电阻法是在电源馈线上串联一个小量值的敏感电阻（如图2中所示的R2）。

电阻两端的电压降决定了产品所输送的负载电流的大小。即使一个200mV的电压降也会造成约为系统总输出功率的2％的功率耗散。与电流互感器相比，敏感电阻将更为精确，而且线性度更高，但它们也会带来这种功率上的损失。与敏感电阻法相比，电流互感器产生的损耗极小。这涉及对原边电流的敏感。一个电流互感器被用来输送电流信息，使之跨越隔离到达装有电流分担电路的副边。这一功能电路就是图3中的T2。不过，正如我们已经提到过的那样，电流互感器的精度要低于一个敏感电阻的。

智能电源管理
随着电源监测和控制系统跨入数字化时代，效率的改进空间也越来越大。这是数字电源日益流行的原因之一。数字控制使得人们能采取难度更大的措施来榨取效率。这也意味着电源可以在多种模式下工作。这是只能工作在单一模式下的模拟控制环路所不能实现的。在数字化的控制回路中，滤波器的特性可以根据负载条件进行调节。模拟环路使用了无源元件来实现滤波器功能，而元器件一旦焊接到电路板上，这一功能就无法进行调节。采用数字化控制器后，时序的自适应调节能力也可以得到极大的提高，可以针对每个周期的时序关系进行调节。这意味着控制器可以实现智能决策，并实时针对最佳效率的目标进行优化，同时考虑到温度、负载波动等因素。它还能更好地控制ZVS拓扑。

另外，还可以集成脉冲跨跳模式（pulse skipping），这可以提高轻负载条件下的效率。在轻负载条件下，同步整流确实会降低效率，而数字控制的电源一旦检测出电源处于轻负载工作状态时，会关闭同步整流功能。最新一代的数字化解决方案目前在价格上已经可以与模拟解决方案相比，而在未来将有望实现更大的成本削减。

设计
要减少电源中的功率耗散，可以采用多种办法。图2示出了一种常规电源。图3示出了效率更高的电源拓扑结构。

图2常规的电源。汽车采用了模拟控制的正激变换器和二极管整流

图3. 高效率电源。数字控制的全桥ZVS变换器，采用同步整流

成本
虽然人人都希望能减少对环境的消耗并获得技术最先进的设计，成本通常是设计过程中要考虑的最重要的因素。尺寸的限制和法规可以影响到设计的选择，但是成本是主要的影响因素。添加的每一个元件都会增加成本，无论它是采用全桥和同步整流时增添的开关、还是采用ZVS时需要添加的电感和电容。于是，只有在性能指标上确有要求时或者效率的成本低于减少能量的浪费的成本时，才设法提升相应的效率。

结论
本文展示了提高电源效率时可采用的若干种技术。这里尚未讨论其他几种同样能提高效率的技术。文章对人们追求效率更高的电源的趋势进行了分析。效率的提高是在效率、成本、尺寸和开关频率等指标之间进行复杂的折中取舍的结果。数字化的控制技术可以在全部负载范围上提供更高的效率。最后，电源的设计者不得不尽力降低成本，因此，只要法规和客户没有提出其他的指标要求，则效率是第一个要牺牲的指标。

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