提高開關電源效率的電路技術

1、提高開關電源效率的電路技術熊貓電子集團公司岳云引言隨著半導體技術的不斷進步，信號處理和信息處理電路的高密度集成化取得了長足的進步，系統(tǒng)LSI研發(fā)和推廣活動也開展得如火如荼。與此同時，對為這些系統(tǒng)LSI供電的電源電路本身也提出了高功率密度的要求。目前使用的電源幾乎都是開關電源，其小型化的基本方法便是提高開關電源的開關頻率。從另一個方面來說，如果電源的功耗增加，則對于電源的小型化是極為不利的。尤其隨著近來信息處理設備用量的激增，從節(jié)能的角度考慮，人們對于降低功耗(亦即提高電源的效率)給予了很大的關注。本文將從電路和系統(tǒng)的層面上對開關電源效率指標的改善進行一些粗淺的分析。提高開關電源效率的常見方法開

2、關電源的功耗包括由半導體開關、磁性元件和布線等的寄生電阻所產(chǎn)生的固定損耗以及進行開關操作時的開關損耗。對于固定損耗，由于它主要取決于元件自身的特性，因此需要通過元件技術的改進來予以抑制。在磁性元件方面，對于兼顧了集膚效應和鄰近導線效應的低損耗繞線方法的研究由來已久。為了降低源自變壓器漏感的開關浪涌所引起的開關損耗，人們開發(fā)出了具有浪涌能量再生功能的緩沖電路等新型電路技術。以下是提高開關電源效率的電路和系統(tǒng)方法：(1)ZVS(零電壓開關)、ZCS(零電流開關)等利用諧振開關來降低開關損耗的方法。(2)運用以有源箝位電路為代表的邊緣諧振(EdgeResonance)來降低開關損耗。(3)通過延展開

3、關元件的導通時間以抑制峰值電流的方法來減少固定損耗。(4)在低電壓大電流的場合通過改善同步整流電路的方法來減少固定損耗。(5)利用轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)結構來減少固定損耗。,.其中，第一種方法對于降低開關損耗極為有效，但問題是因峰值電流和峰值電壓所導致的固定損耗將會增加。第二種方法是為解決該問題而開發(fā)的有源緩沖器(ActiveSnubber),是一種極為實用的ZVS方式；但是，由輕負載條件下的無功電流所引發(fā)的效率下降問題卻是其一大缺陷。第三種方法中，采用抽頭電感器(TapInductor)的方式是比較有效的，它能夠應付由漏感所引起的浪涌現(xiàn)象。關于第四種方法，兩段式結構是實現(xiàn)同步整流電路高效0.5的固定時

4、間比率(Time Ratio),并由前段的轉(zhuǎn)換器來進行工作的方法之一，它采用接近輸出電壓控制。它一反“兩段式結構將導致效率下降”這一傳統(tǒng)思維模式，在低電壓大電流的場合非常有效。至于第五種方法，既可將整個轉(zhuǎn)換器電路進行并聯(lián)，也可像電流倍增器(CurrentDoubler)那樣部分采用并聯(lián)結構。下面將對利用轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)操作所實現(xiàn)的效率提升情況進行簡要闡述。并聯(lián)結構轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效化1.采用轉(zhuǎn)換器并聯(lián)結構的效率改善YPC。圖2描繪了負載電流與效率特性的關系曲線。對于采用并聯(lián)轉(zhuǎn)換器結構的場合而言，其功率效率為：y P=VOIOVO/(VOIO+2PC+(k2+(1- k)2 )rIO2) (2)式中，k

5、為負載電流的分割比。效率改善率F被定義為：F三(Y P-Y S)/r SX 100% (3)將式和(2)式代入可得出：F=(2k(1-k) rIO2 - PC)/(2k2- 2k+1)rIO2+2PC + VOIO) (4)該效率改善率與負載電流的關系曲線示于圖3。由圖可知,k=0.5時的效率改善率最高。另外，如果將負載電流集中于一個轉(zhuǎn)換器反而會使效率下降， 這是由于存在固定損耗造成的。2.采用PFC (功率因數(shù)校正)型轉(zhuǎn)換器時的效率改善以往的一段式 PFC轉(zhuǎn)換器為了在改善輸入電流波形的同時減小輸出電壓紋波而采用了圖4所示的混合并聯(lián)(Hybrid Parallel ,簡稱HP)方式。這種PFC

6、轉(zhuǎn)換器所采用的并聯(lián)結構 是把以不連續(xù)電流模式工作的回掃型轉(zhuǎn)換器置于上部，而將普通的回掃型DC/DC轉(zhuǎn)換器置于下部。在這種場合，出于改善輸入電流波形的需要，通過調(diào)整兩個變壓器的激勵電感的方法來使上部的電流占全部電流的70%80%。因此，即使是對于5A這樣的大電流也能夠獲得滿足IEC規(guī)格5級標準（Class5）的電流波形。但由圖3可知，從改善效率的角度考慮，采用并聯(lián)結構只是在負載電流分割比k=0.70.8的情況下才能獲得滿意的效果。為此人們對圖4所示的電路進行了改良，即通過改變傳統(tǒng)HP-PFC轉(zhuǎn)換器輸入端體電容的充電路徑（ChargingPath）的方法來抑制峰值輸入電流（參見圖5）。這種改良型PFC轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形滿足IEC規(guī)格D級標準（ClassD）,而且可把負載電流分割比k設定為0.50.6,從而進一步提升效率。圖6對HP-PFC轉(zhuǎn)換器改進前后的效率指標進行了對比。參考文獻1JournalofPowerElect