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高效率电源的设计 制造商现在则以轻负载时的效率来作为其设计的一个实实在 在的卖点，因为这能更好地反映出电源的真实性能。他们与自 己的客户合作，将更能反映设计的典型工作条件的指标收入其 作者：Brendan Daly 规范中，而不仅仅考虑极端的情况。CECP 、EPA 和其他组织， 也正在研究关于轻负载条件下的效率的新的法规。新的革新性 效率是电源设计的关键参数。来自各个方面的压力都迫使新电 技术，例如数字化控制，正在被用来改善在全部负载谱范围内 源的设计者努力提高其效率。本文将讨论对更高的效率的需 的效率。在轻负载条件下，开关损耗占到了主要地位，而在更 求，并展示设计一个电源时可采用的针对效率的优化方法。本 大的负载下，导通损耗则占了主要部分。后面还将讨论如何减 文还将研究不同的电路拓扑结构，并研究开关损耗和导通损耗 小这些损耗。 的影响。本文主要关注隔离型开关电源。这种结构既适用于 DC －DC 变换器，也适用于AC －DC 变换器。文中也将讨论必 须在效率和系统成本之间进行的折中取舍。而一个AC －DC 隔 离型电源将被用作示例。 原因何在？ 环保、法规、成本的削减、可靠性和新兴的技术，是试图设计 一款效率更高的电源的理由。环保方面的理由是显而易见：更 高的效率等同于更少的浪费。中国的 CECP （节能产品认证中 心）、美国的 EPA （环保局）以及全球的其他执法机构都正在 制定关于电源效率方面的新的、严格的指导方针。 OEM 们也提高了效率方面的指标要求。在系统层次上，客户 图1. 一种隔离电源的效率负载电流关系图 并不希望由于采用低效率的电源而浪费金钱。高效率的电源， 变换器的拓扑结构 其可靠性往往更高，这对许多客户来说，是一个非常重要的考 虑因素。从长期来说，这可以节省成本，因为系统的寿命更长， 变换器的拓扑结构是系统总体效率的主要影响因素。对拓扑结 所需的维修工作量和质量担保方面的成本也可以下降。 构的选择，往往离不开在成本、功耗、尺寸、开关频率和效率 之间作出的、复杂的折中取舍。现在要作出若干方面不同的选 随着系统的复杂性和计算能力的提升，客户也提出了更高的功 择，下面将讨论其中最常见的选择。 率需求。同时人们也需要更小的外形尺寸。在隔离式电源中， 3 。这就带来了对更小的 在功率较低（最高为 200W ）的低效率设计中，成本是最大的 现在的功率密度常常可以达到 15W/in 散热器和元件的需求。因为热耗散是功率变换的直接效应，现 影响因素，反激(Flyback)和正激(Forward)变换器形式更为常 在散热可用的空间就更小了。气流也受到了密集排布的元件的 见。这些设计的效率较低，因为它们只能在一半的开关周期中 阻碍。令情况更为复杂的是，由于功率密度的增加，能量损耗 完成功率的传递。在开关周期的另一半时间内，变压器需要将 的密度也更为集中。更高的效率就意味着更低的热耗散。提高 其所储存的任何能量都耗散掉（漏电感）。这部分能量就被浪 电源效率正在迅速成为提高功率密度时唯一可行的措施 费掉了，总的系统效率被降低。由于开关元件上所承受的电压 和电流过大，因此，它们不能用于功率更高的应用。 多高的效率，才可以算作高效率？ 半桥整流是对正激变换器（以及反激变换器）方法的一种改进， 高效率是一个抽象的词眼