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电源设计注意事项:如何提高开关效率

能源效率在电源设计中一直扮演着非常重要的角色。低效率的电源,以及不可忽略的功率损耗,会给系统和最终用户带来额外的成本。我们不要忘记,对更高效率水平的追求已经导致了从线性调节器到更高效的开关技术的转变,特别是在电力应用中。现在让我们详细了解一些可以提高开关电源(SMPS)效率的技术。

主动纠偏

同步整流器,也称为有源整流器,用于提高二极管整流电路的效率,二极管整流电路通常存在于开关电源中。通常的半导体二极管被有源元件取代,通常是BJT或MOSFET功率晶体管,它们被制成开关频率,以允许将交流输入电压转换为直流电压。这些整流电路称为同步电路,因为开关必须与输入波形同步。同步整流(SR)技术可以提高效率、热管理、功率密度和可靠性,降低电源的总体成本。图1的上半部分显示了带整流二极管的buck变换器的经典方案,而在同一图的下半部分,肖特基二极管被MOSFET晶体管取代。有源整流器的优点是它的传导电阻和压降比二极管低得多。MOSFET晶体管是二极管的理想替代品,因为它们的RDS(on)非常低,低至几十毫欧姆或更小。因此,这个电阻上的电压降比二极管上的要低得多。SR技术的缺点是它需要一个能够确保MOSFET开关和输入波形之间同步的控制电路。

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图1:SR技术的应用示例

缓冲器和钳位

该缓冲电路具有减小电压尖峰幅度和降低电压变化率(dV/dt)的功能。其效果是减少开关损耗和射频发射。钳位执行的功能要简单得多;也就是说,它只是降低电压尖峰的振幅,而不利于发射电磁波。在图2中,我们可以看到典型的钳位和缓冲电路的例子,而图3显示了它们对波形(电压)产生的影响,其特征是波纹加剧。

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图2:钳位和缓冲电路示例

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图3:缓冲器和钳位产生的效应

有源钳位电路

反激变换器结构简单、价格低廉,但由于开关晶体管所承受的高压应力,其在低功率应用(小于100w)中的应用受到限制。当开关接通时,反激变换器将能量储存在变压器的初级绕组中。在“关闭”期间,能量被传输到二级,然后从那里传输到输出。电流在一次绕组和二次绕组中同时流动,但决不会同时在两个绕组中流动。图4显示了一个反激式变换器的结构,其有源箝位电路由晶体管和电容器组成。与传统的阻容二极管(RCD)相比,有源钳位可以在固定的开关频率下实现晶体管的零电压开关(ZVS),提高了效率和EMI。

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图4:反激变换器中的有源钳位电路

准谐振电路

将准谐振拓扑应用于开关电源中,以减少或消除频率相关开关损耗,从而提高效率,降低器件的工作温度。这种技术的缺点是在低功耗下产生更高的损耗,这一缺点被几乎所有现代电源中存在的频率钳位电路所消除。准谐振变换器通常包含L-C网络,其电压和电流在开关期间呈正弦变化。现在考虑经典的buck转换器方案,如图5所示。为了方便起见,包含MOSFET晶体管的开关电路已用“开关网络”块表示。

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图5:一个典型的buck转换器的示意图

在图6中,我们可以观察到“交换网络”块的两种不同配置。第一种对应于由PWM信号控制的传统开关网络。另一方面,另一方面,由于L-C网络的引入,电路增加了准谐振功能。零电流开关是这些变换器的主要优点之一,因为它可以减少开关损耗。此外,准谐振变换器能够在比类似的PWM变换器更高的频率下工作。

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图6:准谐振buck变换器

功率因数校正

功率因数(PF)定义为实际功率与视在功率之间的比率。在离线电源(即直接连接到交流电源的电源)中,电流和电压都是正弦的。因此,PF由输入电流和输入电压之间相位角的余弦给出,是电流对负载实际可用功率的贡献程度的指标。例如,PF等于1表示100%的电流为负载供电。国际法规对由电源电压供电的许多设备(如电视电源、照明用电子镇流器和电机控制电路)的输入电流中的谐波含量进行了限制。设计合理的PFC级可确保电流始终与交流输入电压相一致。图7显示了三种不同的主动PFC拓扑。最便宜的PFC解决方案无疑是boost拓扑,而buck-boost PFC解决方案能够提供输出隔离和可调输出电压。在三种方案中,buck拓扑提供了最低的PFC。

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图7:有源PFC的拓扑结构

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