【導讀】能源效率在電源設計中一直扮演著非常重要的角色。低效率的電源,以及不可忽略的功率損耗,會給系統(tǒng)和最終用戶帶來額外的成本。我們不要忘記,對更高效率水平的追求已經(jīng)導致了從線性調(diào)節(jié)器到更高效的開關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)變,特別是在電力應用中。現(xiàn)在讓我們詳細了解一些可以提高開關(guān)電源(SMPS)效率的技術(shù)。
主動糾偏
同步整流器,也稱為有源整流器,用于提高二極管整流電路的效率,二極管整流電路通常存在于開關(guān)電源中。通常的半導體二極管被有源元件取代,通常是BJT或MOSFET功率晶體管,它們被制成開關(guān)頻率,以允許將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。這些整流電路稱為同步電路,因為開關(guān)必須與輸入波形同步。同步整流(SR)技術(shù)可以提高效率、熱管理、功率密度和可靠性,降低電源的總體成本。圖1的上半部分顯示了帶整流二極管的buck變換器的經(jīng)典方案,而在同一圖的下半部分,肖特基二極管被MOSFET晶體管取代。有源整流器的優(yōu)點是它的傳導電阻和壓降比二極管低得多。MOSFET晶體管是二極管的理想替代品,因為它們的RDS(on)非常低,低至幾十毫歐姆或更小。因此,這個電阻上的電壓降比二極管上的要低得多。SR技術(shù)的缺點是它需要一個能夠確保MOSFET開關(guān)和輸入波形之間同步的控制電路。
圖1:SR技術(shù)的應用示例
緩沖器和鉗位
該緩沖電路具有減小電壓尖峰幅度和降低電壓變化率(dV/dt)的功能。其效果是減少開關(guān)損耗和射頻發(fā)射。鉗位執(zhí)行的功能要簡單得多;也就是說,它只是降低電壓尖峰的振幅,而不利于發(fā)射電磁波。在圖2中,我們可以看到典型的鉗位和緩沖電路的例子,而圖3顯示了它們對波形(電壓)產(chǎn)生的影響,其特征是波紋加劇。
圖2:鉗位和緩沖電路示例
圖3:緩沖器和鉗位產(chǎn)生的效應
有源鉗位電路
反激變換器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,但由于開關(guān)晶體管所承受的高壓應力,其在低功率應用(小于100w)中的應用受到限制。當開關(guān)接通時,反激變換器將能量儲存在變壓器的初級繞組中。在“關(guān)閉”期間,能量被傳輸?shù)蕉?,然后從那里傳輸?shù)捷敵觥k娏髟谝淮卫@組和二次繞組中同時流動,但決不會同時在兩個繞組中流動。圖4顯示了一個反激式變換器的結(jié)構(gòu),其有源箝位電路由晶體管和電容器組成。與傳統(tǒng)的阻容二極管(RCD)相比,有源鉗位可以在固定的開關(guān)頻率下實現(xiàn)晶體管的零電壓開關(guān)(ZVS),提高了效率和EMI。
圖4:反激變換器中的有源鉗位電路
準諧振電路
將準諧振拓撲應用于開關(guān)電源中,以減少或消除頻率相關(guān)開關(guān)損耗,從而提高效率,降低器件的工作溫度。這種技術(shù)的缺點是在低功耗下產(chǎn)生更高的損耗,這一缺點被幾乎所有現(xiàn)代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準諧振變換器通常包含L-C網(wǎng)絡,其電壓和電流在開關(guān)期間呈正弦變化?,F(xiàn)在考慮經(jīng)典的buck轉(zhuǎn)換器方案,如圖5所示。為了方便起見,包含MOSFET晶體管的開關(guān)電路已用“開關(guān)網(wǎng)絡”塊表示。
圖5:一個典型的buck轉(zhuǎn)換器的示意圖
在圖6中,我們可以觀察到“交換網(wǎng)絡”塊的兩種不同配置。第一種對應于由PWM信號控制的傳統(tǒng)開關(guān)網(wǎng)絡。另一方面,另一方面,由于L-C網(wǎng)絡的引入,電路增加了準諧振功能。零電流開關(guān)是這些變換器的主要優(yōu)點之一,因為它可以減少開關(guān)損耗。此外,準諧振變換器能夠在比類似的PWM變換器更高的頻率下工作。
圖6:準諧振buck變換器
功率因數(shù)校正
功率因數(shù)(PF)定義為實際功率與視在功率之間的比率。在離線電源(即直接連接到交流電源的電源)中,電流和電壓都是正弦的。因此,PF由輸入電流和輸入電壓之間相位角的余弦給出,是電流對負載實際可用功率的貢獻程度的指標。例如,PF等于1表示100%的電流為負載供電。國際法規(guī)對由電源電壓供電的許多設備(如電視電源、照明用電子鎮(zhèn)流器和電機控制電路)的輸入電流中的諧波含量進行了限制。設計合理的PFC級可確保電流始終與交流輸入電壓相一致。圖7顯示了三種不同的主動PFC拓撲。最便宜的PFC解決方案無疑是boost拓撲,而buck-boost PFC解決方案能夠提供輸出隔離和可調(diào)輸出電壓。在三種方案中,buck拓撲提供了最低的PFC。
圖7:有源PFC的拓撲結(jié)構(gòu)
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