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高效率电源的设计
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2009-09-30
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高效率电源的设计: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，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，所需的维修工作量和质量担保方面的成本也可以下降。
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率需求。同时人们也需要更小的外形尺寸。在隔离式电源中，现在的功率密度常常可以达到15W/in3。这就带来了对更小的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阻碍。令情况更为复杂的是，由于功率密度的增加，能量损耗的密度也更为集中。更高的效率就意味着更低的热耗散。提高电源效率正在迅速成为提高功率密度时唯一可行的措施。
多高的效率，才可以算作高效率？
高效率是一个抽象的词眼。在哪些因素决定了一个电源是否属于高效率器件这一问题上，人们形成了多种不同的观点和派别。本文所关心的焦点是AC－DC电源，因此80％以上的效率就可以被视为高效率。现在，市场上可买到的电源中，有的已经实现了90％的效率，但这些产品所瞄准的都是高端市场。
轻负载时的效率
在这个问题上，规范和常识有时会发生冲突。这一问题是在历史上形成的，当时效率在许多设计中都不是一个关键的因素。在电源寿命的绝大部分时间内，工作负载都低于60％。电源很少在满负荷下（100％）长时间工作。然而，在设计之初所收到的规格要求却仅仅针对满负荷的情况来给出，于是设计也是针对满负荷时的效率进行优化的。
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的效率。在轻负载条件下，开关损耗占到了主要地位，而在更大的负载下，导通损耗则占了主要部分。后面还将讨论如何减小这些损耗。
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，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，所需的维修工作量和质量担保方面的成本也可以下降。
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率需求。同时人们也需要更小的外形尺寸。在隔离式电源中，现在的功率密度常常可以达到15W/in3。这就带来了对更小的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阻碍。令情况更为复杂的是，由于功率密度的增加，能量损耗的密度也更为集中。更高的效率就意味着更低的热耗散。提高电源效率正在迅速成为提高功率密度时唯一可行的措施。
多高的效率，才可以算作高效率？
高效率是一个抽象的词眼。在哪些因素决定了一个电源是否属于高效率器件这一问题上，人们形成了多种不同的观点和派别。本文所关心的焦点是AC－DC电源，因此80％以上的效率就可以被视为高效率。现在，市场上可买到的电源中，有的已经实现了90％的效率，但这些产品所瞄准的都是高端市场。
轻负载时的效率
在这个问题上，规范和常识有时会发生冲突。这一问题是在历史上形成的，当时效率在许多设计中都不是一个关键的因素。在电源寿命的绝大部分时间内，工作负载都低于60％。电源很少在满负荷下（100％）长时间工作。然而，在设计之初所收到的规格要求却仅仅针对满负荷的情况来给出，于是设计也是针对满负荷时的效率进行优化的。
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的效率。在轻负载条件下，开关损耗占到了主要地位，而在更大的负载下，导通损耗则占了主要部分。后面还将讨论如何减小这些损耗。
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