可以提高开关电源（SMPS）效率的技术有哪些？

能源效率在电源设计中一直扮演着非常重要的角色。电源效率低下且功率损耗不可忽略，这会给系统和最终用户带来额外的成本。不要忘记，对更高效率水平的追求已导致从线性稳压器到更高效的开关技术的转变，尤其是在电源应用中。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。

积极整改

同步整流器，也称为有源整流器，用于提高二极管整流器电路的效率，该二极管整流器电路通常存在于开关电源中。普通的半导体二极管被有源组件（通常为BJT或MOSFET功率晶体管）代替，有源组件的开关频率使得交流输入电压转换为直流电压。这些整流器电路称为同步电路，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，从而降低电源的总体成本。在图1的上部，显示了带有整流二极管的降压转换器的经典方案，而在该图的下部，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晶体管具有极低的R DS（on），可低至几十毫欧或更小，因此是二极管的理想替代品。因此，该电阻上的电压降远低于二极管上的电压降。SR技术的缺点是它需要一个控制电路，该电路能够确保MOSFET的开关和输入波形之间的同步。

图1：SR技术的应用示例

缓冲器和夹具

缓冲器具有减小电压尖峰的幅度并减小电压的变化率（dV / dt）的功能。其效果是减少开关损耗和射频发射。夹具执行的功能要简单得多。也就是说，它仅减小了电压尖峰的幅度，而没有使发射频谱受益。在图2中，我们可以看到经典钳位电路和缓冲电路的示例，而图3显示了它们对波形（电压）产生的影响，该波形的特征是纹波加剧。

图2：钳位电路和缓冲电路的示例

图3：缓冲和钳位产生的影响

有源钳位电路

反激转换器既简单又便宜，但是由于开关晶体管会承受高电压应力，因此在低功率应用（小于100 W）中其使用受到限制。当开关接通时，反激转换器将能量存储在变压器的初级绕组中。在“关闭”期间，能量被传递到次级，再从次级传递到输出。电流在初级绕组和次级绕组中均流过，但从未同时流过。图4显示了具有由晶体管和电容器组成的有源钳位电路的反激式转换器方案。与传统的电阻-电容-二极管（RCD）类型相比，有源钳位获得具有固定开关频率的晶体管的零电压开关（ZVS），从而提高了效率和EMI。

图4：反激式转换器中的有源钳位电路

准谐振电路

将准谐振拓扑应用于SMPS，以减少或消除频率相关的开关损耗，从而提高效率并降低器件的工作温度。这项技术的缺点是，在几乎所有现代电源中都存在着频率钳位电路，从而消除了低功耗时产生较高损耗的问题。准谐振转换器通常包含LC网络，其电压和电流在开关周期内呈正弦变化。现在考虑图5所示的经典降压转换器方案。为方便起见，包含MOSFET晶体管的开关电路已用“开关网络”块表示。

图5：经典降压转换器的原理图

在图6中，我们可以观察到“交换网络”模块的两种不同配置。第一个对应于由PWM信号控制的传统开关网络。另一方面，由于引入了LC网络，第二种方法为电路增加了准谐振功能。术语“零电流开关”（ZCS）是这些转换器的主要优点之一，因为它减少了开关损耗。此外，准谐振转换器能够以比类似PWM转换器更高的频率工作。

图6：准谐振降压转换器

功率因数校正（PFC）

功率因数（PF）定义为有功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，电流和电压均为正弦波。结果，PF由输入电流和输入电压之间的相位角的余弦值给出，并且是电流对负载上的有功功率贡献多少的指标。例如，PF等于1表示100％的电流有助于为负载供电。国际法规对由市电电压供电的许多设备（例如电视电源，照明电子镇流器和电动机控制电路）的输入电流中的谐波含量进行了限制。正确设计的PFC级可确保电流始终与交流输入电压同相。图7显示了三种不同的有源PFC拓扑。最便宜的PFC解决方案肯定是升压拓扑，而升降压PFC解决方案能够提供输出隔离和可调的输出电压。在这三个建议中，降压拓扑提供了最低的PFC。

图7：活动PFC的拓扑

编辑：hfy