開關(guān)電源

詞語解釋

“開關(guān)電源”是指在通信系統(tǒng)中，使用開關(guān)電源技術(shù)來提供穩(wěn)定的電源。開關(guān)電源是一種高效率的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，它可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓，從而滿足通信系統(tǒng)的電源要求。開關(guān)電源的原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成較高或較低的輸出電壓，以滿足系統(tǒng)的電源要求。它的工作原理是通過開關(guān)器件（如晶體管、可控硅等）控制電流的流動，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。開關(guān)電源的應(yīng)用非常廣泛，它可以用于通信系統(tǒng)中的多種設(shè)備，如電話系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等。它還可以用于消費類電子產(chǎn)品，如電視機、收音機、錄音機等。開關(guān)電源的優(yōu)點是可以實現(xiàn)高效率的電源轉(zhuǎn)換，可以有效地提高系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的能耗。此外，開關(guān)電源還具有體積小、重量輕、噪聲低、穩(wěn)定性高等特點，因此在通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。總之，開關(guān)電源是通信系統(tǒng)中重要的電源技術(shù)，它可以有效地提高系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的能耗，為通信系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

　　開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

　　開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。

　　SCR在開關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應(yīng)用，GTR驅(qū)動困難，開關(guān)頻率低，逐漸被IGBT和MOSFET取代。

　　開關(guān)電源的三個條件

　　1、開關(guān)：電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)

　　2、高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻

　　3、直流：開關(guān)電源輸出的是直流而不是交流

　　開關(guān)電源的分類

　　人們在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件，邊開發(fā)開關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進推動著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化，并已得到用戶的認可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對兩類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。

　　2.1 DC/DC變換

　　DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：

　�。�1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓

　　U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

　　（2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓

　　U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

　　（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其

　　輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

　�。�4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電

　　壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。

　　還有Sepic、Zeta電路。

　　上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。

　　當今軟開關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國VICOR公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC/DC變換器，其最大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊RM系列，其開關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已達到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個電路效率提高到90％。

　　2.2AC/DC變換

　　AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

　　AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

　　開關(guān)電源的選用

　　開關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點（多級串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(0.5～1）％。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點：

　　3.1輸出電流的選擇

　　因開關(guān)電源工作效率高，一般可達到80％以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準確測量或計算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開關(guān)電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：

　　Is=KIf

　　式中：Is—開關(guān)電源的額定輸出電流；

　　If—用電設(shè)備的最大吸收電流；

　　K—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8；

　　3.2接地

　　開關(guān)電源比線性電源會產(chǎn)生更多的干擾，對共模干擾敏感的用電設(shè)備，應(yīng)采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開關(guān)電源，將其FG端子接大地或接用戶機殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。

　　3.3保護電路

　　開關(guān)電源在設(shè)計中必須具有過流、過熱、短路等保護功能，故在設(shè)計時應(yīng)首選保護功能齊備的開關(guān)電源模塊，并且其保護電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。

　　開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動向

　　開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（MnZn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進行創(chuàng)新，實現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。

　　模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計成N＋1冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關(guān)電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項技術(shù)得以實用化。

　　電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展做出貢獻。

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　　開關(guān)電源測試方法

　　一．耐電壓

　�。℉I.POT,ELECTRIC STRENGTH ,DIELECTRIC VOLTAGE WITHSTAND）KV

　　1.1 定義:于指定的端子間,例如:I/P-O/P,I/P-FG,O/P-FG間,可耐交流之有效值,漏電流一般可容許10毫安,時間1分鐘。

　　1.2 測試條件：Ta：25攝氏度；RH：室內(nèi)濕度。

　　1.3 測試回路：

　　1.4 說明：

　　1．4．1 耐壓測試主要為防止電氣破壞，經(jīng)由輸入串入之高壓，影響使用者安全。

　　1．4．2 測試時電壓必須由0V開始調(diào)升，并于1分鐘內(nèi)調(diào)至最高點。

　　1．4．2 放電時必須注意測試器之Timer設(shè)定，于OFF前將電壓調(diào)回 0V。

　　1．4．3 安規(guī)認證測試時，變壓器需另行加測，室內(nèi) ，溫度25攝氏度，RH：95攝氏度，48HR，后測試變壓器初/次級與初級/CORE。

　　1．4．5生產(chǎn)線測試時間為1秒鐘。

　　二．紋波噪聲（漣波雜訊電壓）

　　（Ripple & Noise）%，mv

　　2．1定義：

　　直流輸出電壓上重疊之交流電壓成份最大值(P-P)或有效值。

　　2．2測試條件:

　　I/P: Nominal

　　O/P : Full Load

　　Ta : 25℃

　　2．3測試回路:

　　2．4測試波形:

　　2．5說明:

　　2．5．1示波器之GND線愈短愈好,測試線得遠離PUS。

　　2．5．2使用1：1之Probe。

　　2．5．3 Scope之BW一般設(shè)定于20MHz，但是對于目前的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品測試紋波噪聲最好將BW設(shè)為最大。

　　2．5．4 Noise與使用儀器，環(huán)境差異極大，因此測試必須表明測試地點。

　　2．5．5測試紋波噪聲以不超過原規(guī)格值 +1%Vo。

　　三．漏電流（洩漏電流）

　�。↙eakage Current）mA

　　3．1定義：

　　輸入一機殼間流通之電流（機殼必須為接大地時）。

　　3．2測試條件：

　　I/P：Vin max.×1.06(TUV)/60Hz

　　Vin max.(UL1012)/60Hz

　　O/P: No Load/Full Load

　　Ta: 25 ℃

　　3.3測試回路：

　　3．4說明：

　　3．4．1 L，N均需測。

　　3．4．2UL1012 R值為1K5。

　　TUV R值為2K/0。15uF。

　　3．4．3漏電流規(guī)格TUV：3。5mA,UL1012:5mA。

　　四．溫度測試

　　（Temperature Test）

　　4.1定義：

　　溫度測試指PSU于正常工作下，其零件或Case溫度不得超出其材質(zhì)規(guī)

　　格或規(guī)格定值。

　　4．2測試條件：

　　I/P: Nominal

　　O/P: Full Load

　　Ta : 25℃

　　4．3測試方法：

　　4．3．1將Thermo Coupler(TYPE K)穩(wěn)固的固定于量測的物體上

　�。ㄋ俑伞ape或焊接方式）。

　　4．3．2 Thermo Coupler于末端絞三圈后焊成一球狀測試。

　　4．3．3我們一般用點溫計測量。

　　4．4測試零件：

　　熱源及易受熱源影響部分

　　例如：輸入端子、Fuse、輸入電容、輸入電感、濾波電容、橋整、熱

　　敏、突波吸收器、輸出電容、輸出電容、輸出電感、變壓器、鐵芯、

　　繞線、散熱片、大功率半導體、Case、熱源零件下之P.C.B.……。

　　4．5零件溫度限制：

　　4．5．1零件上有標示溫度者，以標示之溫度為基準。

　　4．5．2其他未標示溫度之零件，溫度不超過P.C.B.之耐溫。

　　4．5．3電感顯示個別申請安規(guī)者，溫升限制65℃Max(UL1012),75℃

　　Max(TUV)。

　　五．輸入電壓調(diào)節(jié)率

　�。↙ine Regulation）, %

　　5．1定義：

　　輸入電壓在額定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓之變化率。

　　Vmax-Vnor

　　Line Regulation(+)=------------------

　　Vnor

　　Vnor-Vmin

　　Line Regulation(-)=------------------

　　Vnor

　　Vmax-Vmin

　　Line Regulation=----------------

　　Vnor

　　Vnor:輸入電壓為常態(tài)值，輸出為滿載時之輸出電壓。

　　Vmax:輸入電壓變化時之最高輸出電壓。

　　Vmin:輸入電壓變化時之最低輸出電壓。

　　5．2測試條件：

　　I/P：Min./Nominal/Max

　　O/P:Full Load

　　Ta:25℃

　　5.3測試回路：

　　5．4說明：

　　Line Regulation 亦可直接Vmax-Vnor與Vmin-Vnor之±最大

　　值以mV表示，再配合Tolerance%表示。

　　六．負載調(diào)節(jié)率

　�。↙oad Regulation）%

　　5．1定義：

　　輸出電流于額定范圍內(nèi)變化（靜態(tài)）時，輸出電壓之變化率。

　　|Vminl-Vcent|

　　Line Regulation(+)=------------------×100%

　　Vcent

　　|Vcent-VfL|

　　Line Regulation(-)=------------------×100%

　　Vcent

　　|VminL-VfL|

　　Line Regulation(%)=----------------×100%

　　Vcent

　　VmilL:最小負載時之輸出電壓

　　VfL:滿載時之輸出電壓

　　Vcent:半載時之輸出電壓

　　6．2測試條件：

　　I/P：Nominal

　　O/P:Min./Half/Full Load

　　Ta:25℃

　　6.3測試回路：

　　6．4Load Regulation亦可直接Vmin.L-Vcent與Vcent-Vmax.之±最大

　　值以mV表示，再配合Tolerance%表示。
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影響開關(guān)電源效率的因素
效率是任何開關(guān)電源的基本指標，任何開關(guān)電源的設(shè)計考首先需要考慮的是效率優(yōu)化，特別是便攜式產(chǎn)品，因為高效率有助于延長電池的工作時間，消費者可以有更多時間享受便攜產(chǎn)品的各種功能。開關(guān)電源設(shè)計中，為獲得最高轉(zhuǎn)換效率，工程師必須了解轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生損耗的機制，以尋求降低損耗的途徑。另外，工程師還要熟悉開關(guān)電源器件的各種特點，以選擇最合適的芯片來達到高效指標。
　　本文介紹了影響開關(guān)電源效率的基本因素，并提供了一些關(guān)于降低開關(guān)電源損耗的方法。
　　開關(guān)器件的損耗
　　MOSFET和二極管由于其自身特性，會大大降低系統(tǒng)效率。相關(guān)損耗主要分成兩部分：傳導損耗和開關(guān)損耗。簡單地說，任何電流回路都存在損耗電阻，造成能量損耗。MOSFET和二極管是開關(guān)元件，導通時電流流過MOSFET或二極管，會有導通壓降。由于MOSFET只有在導通時才有電流流過，MOSFET的傳導損耗與其導通電阻、占空比和導通時的電流有關(guān)：
　　PCONDMOSFET = IMOSFETONavg 2 ×RDSON ×D
　　式1中，IMOSFETONavg是MOSFET在導通時的平均電流。MOSFET的傳導損耗的起因是導通電阻，導通電阻通常非常小。二極管的傳導損耗則取決于自身的導通壓降(VF)，導通壓降相對較大。因此，二極管與MOSFET相比會引入更大的傳導損耗。二極管的傳導損耗由導通電流、導通壓降、導通時間決定。MOSFET關(guān)斷時，二極管導通，二極管的傳導損耗可以由以下公式計算：
　　PCONDDIODE = IDIODEONavg ×VF×(1-D)
　　IDIODEONavg是二極管導通時的平均電流。從公式可以看出，導通時間越長，相關(guān)的傳導損耗越大。降壓電路中，輸出電壓越低，二極管的導通時間越長，相應(yīng)的傳導損耗也越大。
　　由于開關(guān)損耗是由開關(guān)的非理想狀態(tài)引起的，很難估算MOSFET和二極管的開關(guān)損耗，器件從完全導通到完全關(guān)閉或從完全關(guān)閉到完全導通需要一定時間，在這個過程中會產(chǎn)生能量損耗。圖2所示MOSFET的漏源電壓和漏源電流的關(guān)系圖可以很好地解釋MOSFET的開關(guān)損耗，從上半部分波形可以看出，在MOSFET的開關(guān)過程中，由于對MOSFET的電容充電、放電，其電流和電壓不能突變。圖中，VDS降到最終狀態(tài)(=ID×RDSON)之前，滿負荷電流將流過MOSFET。相反，關(guān)斷時，VDS在MOSFET電流下降到零值之前逐漸上升到關(guān)斷狀態(tài)的最終值。開關(guān)過程中，電壓和電流的交疊部分即為造成開關(guān)損耗的來源。
　　開關(guān)過渡時間與頻率無關(guān)，因此開關(guān)頻率越高開關(guān)損耗也越大。這一點很容易理解，開關(guān)周期變短時，MOSFET的開關(guān)過渡時間所占比例會大大增加，從而增大開關(guān)損耗。
　　與MOSFET相同，二極管也存在開關(guān)損耗。這個損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復(fù)時間，發(fā)生在二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟霓D(zhuǎn)換過程。當反向電壓加在二級管兩端時，電流會對二極管充電，產(chǎn)生反向電流尖峰(IRRPEAK)，從而造成V × I能量損耗，因為反向電流和反向電壓同時存在于二極管。
　　了解了二極管的反向特性，可以由下式估算二極管的開關(guān)損耗：
　　PSWDIODE ≈ 0.5×VREVERSE×IRRPEAK×tRR2×fs
　　VREVERSE是二極管的反向偏置電壓，IRRPEAK是反向電流，tRR2是從反向電流峰值到恢復(fù)電流為正的時間。對于降壓電路，當MOSFET導通的時候，Vin為二極管的反向偏置電壓。
　　基于上述討論，減小開關(guān)器件損耗的直接途徑是：選擇低導通電阻、可快速切換的MOSFET；選擇低導通壓降、快速恢復(fù)的二極管。通常，增加芯片尺寸和漏源極擊穿電壓，有助于降低導通電阻。因此，選擇MOSFET時需要在尺寸和效率之間進行權(quán)衡。另外，由于MOSFET的正溫度特性，當芯片溫度升高時，導通電阻會相應(yīng)增大。必須采用適當?shù)臒峁芾矸桨副３州^低的結(jié)溫，使導通電阻不會過大。導通電阻和柵源偏置電壓成反比，因此，推薦使用足夠大的柵極電壓，
使MOSFET充分導通，該方案也會增大柵極驅(qū)動損耗。而且，開關(guān)控制器件本身通常無法產(chǎn)生較高的柵極驅(qū)動電壓，除非芯片提供有自舉電路，或采用外部柵極驅(qū)動。MOSFET的開關(guān)損耗取決于寄生電容，較大的寄生電容需要較長的充電時間，使開關(guān)轉(zhuǎn)換變緩，損耗更多的能量。米勒電容通常反比于MOSFET的傳導電容或柵-漏電容，在開關(guān)過程中對轉(zhuǎn)換時間起決定作用。米勒電容的充電電荷定義為QGD，為了快速切換MOSFET，要求盡可能低的米勒電容。一般來說，MOSFET的電容和芯片尺寸成反比，因此必須折衷考慮開關(guān)損耗和傳導損耗，同時也要謹慎選擇電路的開關(guān)頻率。
對于二極管，必須降低導通壓降，以降低由此產(chǎn)生的損耗。對于小尺寸、額定電壓較低的二極管，導通壓降一般在0.7V～1.5V之間。二極管的尺寸、工藝和耐壓等級都會影響導通壓降和反向恢復(fù)時間。額定電壓較高的大尺寸二極管通常具有較高VF的和tRR，這會造成比較大的損耗。高速應(yīng)用中的開關(guān)二極管一般以速度劃分，速度越高，反向恢復(fù)時間越短�？旎謴�(fù)二極管的tRR為幾百納秒，而超高速快恢復(fù)二極管的tRR為幾十納秒。PN結(jié)二極管的導通壓降較大，適合大電流、高壓工作場合，通常用于大功率系統(tǒng)。低功率或便攜產(chǎn)品中，即使經(jīng)過優(yōu)化選擇的導通壓降和tRR二極管仍會帶來較大的損耗。
　　低功耗應(yīng)用中，替代快恢復(fù)二極管的一種選擇是肖特基二極管，這種二極管的恢復(fù)時間幾乎可以忽略，反向恢復(fù)電壓也只有普通二極管的一半，但它的工作電壓遠遠低于快恢復(fù)二極管�？紤]到這些特點，肖特基二極管被廣泛用于低功耗設(shè)計，在低占空比時可以降低開關(guān)二極管的損耗。

　　在一些低壓應(yīng)用中，即便是具有較低壓降的肖特基二極管，所產(chǎn)生的傳導損耗也無法接受。比如，在輸出為1.5V的電路中，肖特基二極管的0.5V導通壓降會產(chǎn)生33%的能量損耗。為了解決這一問題，可以選擇低導通電阻的MOSFET實現(xiàn)同步控制架構(gòu)。圖1電路用MOSFET取代二極管，它與另外一個MOSFET同步工作，所以在交替切換的過程中，保證只有一個導通。由此，二極管的高導通壓降問題被轉(zhuǎn)換成MOSFET的導通電阻和壓降，取代了二極管的傳導損耗。當然，同步整流也會帶來其它影響，例如：增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度、成本，特別是在大電流應(yīng)用中，這種架構(gòu)不見得比異步方案更優(yōu)越，因為MOSFET傳導損耗的提升與電流的平方成正比。另外，我們還要考慮同步整流中柵極驅(qū)動引入的能量損耗。
　　以上討論了MOSFET和二極管對開關(guān)電源效率的影響。合理選擇開關(guān)器件有助于改善效率，但這并非唯一的優(yōu)化開關(guān)電源設(shè)計的渠道。從下面的討論可以看到，電感、電容引入的損耗也是設(shè)計高效開關(guān)電源所面臨的問題。

　　效率估計
　　能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在效率損耗，因此，在實際應(yīng)用中我們只能盡可能地獲得接近100%的轉(zhuǎn)換效率。目前市場上一些高質(zhì)量開關(guān)電源的效率可以達到95%左右。圖1所示電路的效率可以達到97%，但在輕載時效率有所降低。
　　開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管)，另外一部分損耗來自電感和電容。選擇開關(guān)電源器件時，需要考慮控制器的架構(gòu)和內(nèi)部元件，以期獲得高效指標。圖1采用了多種方法來降低能量損耗，例如：同步整流，芯片內(nèi)部集成低導通電阻的MOSFET，低靜態(tài)電流和跳脈沖控制模式。
　　電容損耗
　　與理想的電容模型相反，電容元件的實際物理特性導致了幾種損耗。電容在電源電路中主要起穩(wěn)壓、濾除輸入/輸出噪聲的作用，電容的這些損耗降低了開關(guān)電源的效率。這些損耗可以通過三種現(xiàn)象描述：等效串聯(lián)電阻損耗、
漏電流損耗和電介質(zhì)損耗。電容的阻性損耗顯而易見。既然電流在每個開關(guān)周期流入、流出電容，電容固有的電阻(Rc)將造成一定功耗。漏電流損耗(RL)是由于電容絕緣材料的電阻導致較小電流流過電容而產(chǎn)生的功率損耗。電介質(zhì)損耗(RD)比較復(fù)雜，由于電容兩端施加了交流電壓，電容電場發(fā)生變化，從而使電介質(zhì)分子極化造成功率損耗。

　　電感損耗
　　電感功耗包括線圈損耗和磁芯損耗，線圈損耗歸結(jié)于線圈的直流電阻(DCR)，磁芯損耗歸結(jié)于電感的磁特性。對一個固定的電感值，電感尺寸較小時，為了保持相同匝數(shù)必須減小線圈的橫截面積，因此導致DCR增大；對于給定的電感尺寸，小電感值允許減小DCR。已知DCR和平均電感電流Ilavq，電感的電阻損耗可以用下式估算。
　　PLdcr = ILavg 2×DCR
　　磁芯損耗并不像傳導損耗那樣容易估算。它由磁滯、渦流損耗組成，直接影響鐵芯的交變磁通。開關(guān)電源中，盡管平均直流電流流過電感，由于通過電感的開關(guān)電壓的變化產(chǎn)生的紋波電流導致磁芯周期性的磁通變化。磁滯損耗源于
每個交流周期中磁芯偶極子的重新排列所消耗的功率，正比于頻率和磁通密度。

　　開關(guān)電源IC的折衷選擇
　　合理選擇開關(guān)電源IC有助于改善系統(tǒng)效率，特別需要考慮IC封裝、設(shè)計和控制架構(gòu)。功率開關(guān)集成到IC內(nèi)部時可以省去繁瑣的MOSFET或二極管選擇，而且使電路更加緊湊，由于降低了線路損耗和寄生效應(yīng)，可以在一定程度上提高效
率。IC規(guī)格中值得注意的一項指標是靜態(tài)電流(IQ)，它是維持電路工作所需的電流。重載情況下(大于一倍或兩倍的靜態(tài)電流)，IQ對效率的影響并不明顯，因為負載電流遠大于IQ，而隨著負載電流的降低，效率有下降的趨勢，因為IQ對應(yīng)的功率占總功率的比例提高。對于便攜產(chǎn)品或電池供電產(chǎn)品，無疑選擇具有極低IQ的電源IC比較理想，有些IC則通過不同的工作模式(例如：休眠模式或低功耗關(guān)斷模式)來降低IQ。
開關(guān)電源的控制架構(gòu)是影響開關(guān)電源效率的關(guān)鍵因素之一。圖1所示同步整流架構(gòu)中，由于采用低導通電阻的MOSFET取代了功耗較大的開關(guān)二極管，可有效改善效率指標。另一種常見的DC-DC控制結(jié)構(gòu)是在輕載時進入跳脈沖工作模式，與單純的PWM開關(guān)操作(在重載和輕載時均采用固定的開關(guān)頻率)不同，跳脈沖模式下轉(zhuǎn)換器工作在跳躍的開關(guān)周期，可以節(jié)省不必要的開關(guān)操作。跳脈沖模式下，在一段較長時間內(nèi)電感放電，將能量從電感傳遞給負載，以維持輸出電壓。但是，跳脈沖模式會產(chǎn)生額外的輸出噪聲，這些噪聲由于分布在不同頻率，很難濾除。先進的開關(guān)電源IC會合理利用兩者的優(yōu)勢：重載時采用恒定PWM頻率；輕載時采用跳脈沖模式。
　　優(yōu)化開關(guān)電源效率
　　開關(guān)電源因其高效率指標得到廣泛應(yīng)用，但其效率仍然受開關(guān)電路的一些固有損耗的制約。設(shè)計開關(guān)電源時，需要仔細研究造成開關(guān)電源損耗的來源，合理選擇器件，從而充分利用開關(guān)電源的高效優(yōu)勢。

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