一種高效率AC/DC電源的設計

導通損耗

　　常規的技術(shù)采用二極管來(lái)進(jìn)行整流。二極管與主功率通道(見(jiàn)圖2的D2)相串聯(lián)。它一般需要產(chǎn)生0.7V的電壓降才能開(kāi)啟導通。在一個(gè)3.3VOUT的系統中，這意味著(zhù)二極管將耗散大約(0.7V/3.3V) = 21%的輸出功率，這意味著(zhù)效率上的極大損失。在一個(gè)12VOUT的電源中，二極管將造成約6%(0.7V / 12V)的效率損失。其影響隨著(zhù)輸出電壓的上升而降低。正因為如此，我們常?？梢栽谳敵鲭妷焊叩碾娦艖?48V)中看到二極管整流的應用。

　　使用同步整流能極大地提升效率。同步整流一般采用一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)而不是二極管(見(jiàn)圖3中的SR1和 SR2)。在關(guān)斷時(shí)，MOSFET可以阻止負向電壓，僅傳導正向電流，它不需要出現正向壓降即可實(shí)現導通。相反，開(kāi)關(guān)電流造成的損耗由MOSFET的RDS(ON)來(lái)決定。RDS(ON)的典型值約為5mΩ。不過(guò)，在一個(gè)100A的電源中，這會(huì )帶來(lái)5mΩ × 100A＝ 500mV的電壓降，幾乎與一個(gè)二極管相當。因此，大電流的電源需要將多個(gè)MOSFET并聯(lián)起來(lái)，以減少等效的RDS(ON)，從而進(jìn)一步降低導通損耗。這是具有低輸出電壓、大輸出電流的電源所采用的標準設計方法，也應用于高效率電源設計中。對同步整流開(kāi)關(guān)的時(shí)序關(guān)系的優(yōu)化也很關(guān)鍵，否則，就體現不出來(lái)同步整流的優(yōu)點(diǎn)。

　　開(kāi)關(guān)損耗

　　在減小開(kāi)關(guān)電源的尺寸和重量方面所遇到的主要障礙是開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率與效率直接相關(guān)。技術(shù)的發(fā)展趨勢是提高開(kāi)關(guān)頻率，但是，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增加，開(kāi)關(guān)的損耗也會(huì )上升。開(kāi)關(guān)的損耗是由于開(kāi)關(guān)的非理想因素所造成的(雜散電容和非零的開(kāi)關(guān)時(shí)間)。因此，必須實(shí)現某種折中平衡。正是基于這些原因，大多數可買(mǎi)到的隔離型開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率在50kHz～400kHz之間。

　　在功率晶體管中出現的開(kāi)關(guān)損耗包括導通損耗和關(guān)斷損耗兩部分。導通損耗由流過(guò)晶體管的寄生電容和電源變壓器的初級繞組的電流所造成。關(guān)斷損耗由晶體管的關(guān)斷動(dòng)態(tài)過(guò)程所決定。由于開(kāi)關(guān)兩端的電壓可以遠大于100V，這會(huì )造成相當大的損耗。既然開(kāi)關(guān)損耗的高低直接取決于開(kāi)關(guān)時(shí)的電流和電壓差，很顯然，在開(kāi)關(guān)時(shí)保證電流或者電壓為零，就可以消除這些損耗。這是MOSFET成為廣泛使用的功率晶體管的原因之一。它們的電流下降時(shí)間很短，因此MOSFET兩端的電壓顯著(zhù)增加之前，電流就幾乎下降到零。

　　零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)可用于改善效率。ZVS控制開(kāi)關(guān)的時(shí)序關(guān)系，使之在電感電流接近零時(shí)關(guān)斷。當MOSFET開(kāi)關(guān)的時(shí)序被控制為與輸入波形的過(guò)零點(diǎn)同步時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗將得以降低。ZVS的一個(gè)實(shí)現方式(見(jiàn)圖3)，即添加電感L2。這也是ZVS成為隔離型電源中的常用方法的一個(gè)原因。它可以實(shí)現在變壓器尺寸和開(kāi)關(guān)損耗方面實(shí)現良好的平衡。數字控制器提供了能夠充分利用ZVS的能力，因為它們比模擬控制器對波動(dòng)的補償要容易得多。

磁損

　　變壓器磁芯的損耗由兩個(gè)因素造成：磁滯和渦流損耗。磁滯損耗是磁化的交流電流的上升、下降以及方向的改變使得磁場(chǎng)方向不斷顛倒所致。渦流損耗是感應出的電流在磁芯中循環(huán)流動(dòng)的結果。負載損耗則隨著(zhù)變壓器的負載變化而變化。它們包括了變壓器的初級和次級線(xiàn)圈導體的熱損耗和渦流損耗。繞組材料中的熱損耗(也稱(chēng)為I2R損耗)是負載損耗中的最大的一部分，由變壓器中導體的寄生電阻產(chǎn)生。通過(guò)采用每單位截面積的電阻很小的材料，可以減小這一電阻，但不會(huì )顯著(zhù)增加變壓器的成本。