開關(guān)電源進(jìn)入高效率功率變換時代
前 言:
電子設(shè)備特別是計算機(jī)的不斷小型化,要求供電電源的體積隨之小型化,因而開關(guān)電源開始替代以笨重的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源,同時電源效率得到明顯提高。電源體積的減小意味著散熱能力的變差,因而要求電源的功耗變小,即在輸出功率不變的前提下,效率必須提高。
相同體積的電源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的輸出功率,必須提高效率,同時,高的電源效率可以有效地減小功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)力,有利于提高其可靠性。
功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步:高效率功率變換的根本
功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步特別是PowerMOSFET的進(jìn)步引發(fā)出功率變換的一系列的進(jìn)步:PowerMOSFET的極快的開關(guān)速度,使開關(guān)電源的開關(guān)頻率從雙極晶體管的20kHz提高到100kHz以上,有效地減小了無源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓PowerMOSFET使低壓同步整流成為現(xiàn)實,器件的導(dǎo)通電壓從肖特基二極管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低壓整流器的效率至少提高了10%。高壓PowerMOSFET的導(dǎo)通壓降和開關(guān)特性的改善,提高了開關(guān)電源的初級效率。功率半導(dǎo)體器件的功耗的降低也使散熱器和整機(jī)的體積減小。
電源界有一個不成文的觀點:不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效率高。Vicor的48V輸入電源模塊的效率達(dá)到97%。交流輸入開關(guān)電源需要功率因數(shù)校正,由于功率因數(shù)校正已具有穩(wěn)壓功能,在對輸出紋波要求不高的應(yīng)用(如輸出接有蓄電池或超級電容器),可以采用功率因數(shù)校正加不調(diào)節(jié)的隔離變換器電路拓?fù),國外?986年已有產(chǎn)品,效率到達(dá)93%以上。
在DC48V輸入電壓的電源模塊中,效率在93%以上的模塊幾乎無一例外地采用前級穩(wěn)壓、后級不調(diào)節(jié)隔離的方案,并且將第一級的輸出電容和第二級的輸出電感取消,簡化了電路結(jié)構(gòu)。
國內(nèi)的很多開關(guān)電源在設(shè)計上對結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)注相對不夠,有時會出現(xiàn)電源內(nèi)的各部分溫升不均,有的地方過熱,有的地方幾乎沒有溫升,甚至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個好的開關(guān)電源應(yīng)該是產(chǎn)生熱的元件均勻分布在PCB
上,而且發(fā)熱元件的溫升基本一致,PCB應(yīng)有盡可能小的損耗,這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設(shè)計中尤為重要。
效率提高的同時:電源的電磁干擾得到減小
在開關(guān)電源的各種損耗中,電磁干擾所產(chǎn)生的損耗,在電源效率高到一定水平后將不容忽視。一方面電磁干擾本身消耗能量,特別是電源效率的提高往往需要軟開關(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù)(無論是專門設(shè)置還是電路本身固有),應(yīng)用這些技術(shù)減緩了開關(guān)過程的電壓、電流的變化速率或消除了開關(guān)過程,電磁干擾變得很小,不需要像常規(guī)開關(guān)電源電路中需要專門設(shè)置抑制電磁干擾的電路(這個電路是存在損耗的)。
開關(guān)電源進(jìn)入:高效率功率變換時代
仔細(xì)分析,高效率功率變換看起來是很簡單的,甚至有些電路拓?fù)湓?0多年前就有介紹(如兩級變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),早在UNITRODE82/83年數(shù)據(jù)手冊的ApplicationNote的AN19中就有介紹、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)),但受當(dāng)時的技術(shù)水平,特別是人們認(rèn)識的限制(總是認(rèn)為兩級變換的效率比單級低,而事實上兩級變換可以實現(xiàn)事實上的固有的零電壓開關(guān),單級變換則需要特殊的附加電路和控制方式)而并沒有得到承認(rèn)和應(yīng)用。器件的性能和人們認(rèn)識的提高已經(jīng)使兩級變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
結(jié)語
如今對于開關(guān)電源設(shè)計工程師和制造廠商而言,先進(jìn)的功率半導(dǎo)體器件可以方便得到,先進(jìn)的電路拓?fù)浜涂刂品绞揭呀?jīng)開始應(yīng)用,他們所剩下的就是想辦法提高自己的技術(shù)水平,同時創(chuàng)造更好的應(yīng)用機(jī)會和市場份額。