能源效率在電源設計中一直扮演著非常重要的角色。電源效率低下且功率損耗不可忽略，這會給系統和最終用戶帶來額外的成本。不要忘記，對更高效率水平的追求已導致從線性穩壓器到更高效的開關技術的轉變，尤其是在電源應用中。現在，讓我們詳細了解一些可以提高開關電源（SMPS）效率的技術。

積極整改

同步整流器，也稱為有源整流器，用于提高二極管整流器電路的效率，該二極管整流器電路通常存在于開關電源中。普通的半導體二極管被有源組件（通常為BJT或MOSFET功率晶體管）代替，有源組件的開關頻率使得交流輸入電壓轉換為直流電壓。這些整流器電路稱為同步電路，因為開關必須與輸入波形同步。同步整流（SR）技術可以提高效率，熱管理，功率密度和可靠性，從而降低電源的總體成本。在圖1的上部，顯示了帶有整流二極管的降壓轉換器的經典方案，而在該圖的下部，有源整流器的優點是它的傳導電阻和壓降比二極管低得多。MOSFET晶體管具有極低的RDS（on），可低至幾十毫歐或更小，因此是二極管的理想替代品。因此，該電阻上的電壓降遠低于二極管上的電壓降。SR技術的缺點是它需要一個控制電路，該電路能夠確保MOSFET的開關和輸入波形之間的同步。

圖1：SR技術的應用示例

緩沖器和夾具

緩沖器具有減小電壓尖峰的幅度并減小電壓的變化率（dV / dt）的功能。其效果是減少開關損耗和射頻發射。夾具執行的功能要簡單得多。也就是說，它僅減小了電壓尖峰的幅度，而沒有使發射頻譜受益。在圖2中，我們可以看到經典鉗位電路和緩沖電路的示例，而圖3顯示了它們對波形（電壓）產生的影響，該波形的特征是紋波加劇。

圖2：鉗位電路和緩沖電路的示例

圖3：緩沖和鉗位產生的影響

有源鉗位電路

反激轉換器既簡單又便宜，但是由于開關晶體管會承受高電壓應力，因此在低功率應用（小于100 W）中其使用受到限制。當開關接通時，反激轉換器將能量存儲在變壓器的初級繞組中。在“關閉”期間，能量被傳遞到次級，再從次級傳遞到輸出。電流在初級繞組和次級繞組中均流過，但從未同時流過。圖4顯示了具有由晶體管和電容器組成的有源鉗位電路的反激式轉換器方案。與傳統的電阻-電容-二極管（RCD）類型相比，有源鉗位獲得具有固定開關頻率的晶體管的零電壓開關（ZVS），從而提高了效率和EMI。

圖4：反激式轉換器中的有源鉗位電路

準諧振電路

將準諧振拓撲應用于SMPS，以減少或消除頻率相關的開關損耗，從而提高效率并降低器件的工作溫度。這項技術的缺點是，在幾乎所有現代電源中都存在著頻率鉗位電路，從而消除了低功耗時產生較高損耗的問題。準諧振轉換器通常包含LC網絡，其電壓和電流在開關周期內呈正弦變化。現在考慮圖5所示的經典降壓轉換器方案。為方便起見，包含MOSFET晶體管的開關電路已用“開關網絡”塊表示。

圖5：經典降壓轉換器的原理圖

在圖6中，我們可以觀察到“交換網絡”模塊的兩種不同配置。第一個對應于由PWM信號控制的傳統開關網絡。另一方面，由于引入了LC網絡，第二種方法為電路增加了準諧振功能。術語“零電流開關”（ZCS）是這些轉換器的主要優點之一，因為它減少了開關損耗。此外，準諧振轉換器能夠以比類似PWM轉換器更高的頻率工作。

圖6：準諧振降壓轉換器

功率因數校正（PFC）

功率因數（PF）定義為有功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，電流和電壓均為正弦波。結果，PF由輸入電流和輸入電壓之間的相位角的余弦值給出，并且是電流對負載上的有功功率貢獻多少的指標。例如，PF等于1表示100％的電流有助于為負載供電。國際法規對由市電電壓供電的許多設備（例如電視電源，照明電子鎮流器和電動機控制電路）的輸入電流中的諧波含量進行了限制。正確設計的PFC級可確保電流始終與交流輸入電壓同相。圖7顯示了三種不同的有源PFC拓撲。最便宜的PFC解決方案肯定是升壓拓撲，而升降壓PFC解決方案能夠提供輸出隔離和可調的輸出電壓。在這三個建議中，降壓拓撲提供了最低的PFC。

圖7：活動PFC的拓撲

編輯：hfy