能源效率在電源設計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給系統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致了從線性穩壓器到更高效開關技術的轉變，尤其是在電源應用中。現在讓我們詳細了解一些可以提高開關電源 (SMPS) 效率的技術。

主動整改

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電源中。普通的半導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行開關，以便將交流輸入電壓轉換為直流電壓。這些整流電路被稱為同步電路，因為開關必須與輸入波形同步。同步整流 (SR) 技術可以提高效率、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換器的經典方案，而在同一圖的下半部分，有源整流器的優點是它的導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，因為它們的 R DS(on)非常低，低至幾十毫歐或更低。因此，該電阻上的壓降遠低于二極管上的壓降。SR 技術的缺點是它需要一個能夠確保 MOSFET 的開關與輸入波形之間同步的控制電路。

圖 1：SR 技術的應用示例

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。其效果是減少開關損耗和射頻輻射。夾具執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，而沒有對發射頻譜有益。在圖 2 中，我們可以看到經典鉗位和緩沖電路的示例，而圖 3 則顯示了它們對以增強紋波為特征的波形（電壓）產生的影響。

圖 2：鉗位和緩沖電路示例

圖 3：緩沖器和鉗位產生的影響

有源鉗位電路

反激式轉換器簡單且便宜，但由于開關晶體管承受高壓應力，因此它們在低功率應用（小于 100 W）中的使用受到限制。當開關打開時，反激式轉換器將能量存儲在變壓器的初級繞組中。在“關閉”期間，能量被轉移到次級并從那里轉移到輸出。電流同時在初級和次級繞組中流動，但不會同時在兩者中流動。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換器的方案。與傳統的電阻-電容-二極管 (RCD) 類型相比，有源鉗位以固定開關頻率獲得晶體管的零電壓開關 (ZVS)，從而提高效率和 EMI。

圖 4：反激式轉換器中的有源鉗位電路

準諧振電路

準諧振拓撲應用于 SMPS 以減少或消除與頻率相關的開關損耗，從而提高效率并降低設備的工作溫度。這種技術的缺點是在低功率下會產生較高的損耗，但幾乎所有現代電源中的頻率鉗電路都消除了這種缺點。準諧振轉換器通常包含 LC 網絡，其電壓和電流在開關周期內呈正弦變化。現在考慮經典的降壓轉換器方案，如圖 5 所示。為方便起見，包含 MOSFET 晶體管的開關電路已用“開關網絡”塊表示。

圖 5：經典降壓轉換器的原理圖

在圖 6 中，我們可以觀察到“交換網絡”塊的兩種不同配置。第一個對應于由 PWM 信號控制的傳統開關網絡。另一方面，由于引入了 LC 網絡，第二個電路為電路增加了準諧振功能。術語“零電流開關”(ZCS) 是這些轉換器的主要優勢之一，因為它降低了開關損耗。此外，準諧振轉換器能夠在比類似 PWM 轉換器更高的頻率下運行。

圖 6：準諧振降壓轉換器

功率因數校正 (PFC)

功率因數 (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，并且是電流對負載上可用實際功率的貢獻程度的指標。例如，PF 等于 1 表示 100% 的電流有助于為負載供電。國際法規對許多由電源電壓供電的設備的輸入電流中的諧波含量施加了限制，例如電視電源、照明電子鎮流器和電機控制電路。正確設計的 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 拓撲。最便宜的 PFC 解決方案肯定是升壓拓撲，而升降壓 PFC 解決方案能夠提供輸出隔離和可調輸出電壓。在三個提議中，降壓拓撲提供最低的 PFC。

圖 7：有源 PFC 的拓撲結構



審核編輯：劉清