提高效率的电源技术前沿

　　从线性电源到开关电源的转变导致电源效率、尺寸和重量的革命性改进。开关电源的发展今天仍在继续。电力电子是与损失作斗争（主要以热量的形式）。广泛的技术和创新已应用于组件和电路，以通过减少损耗来实现更高的效率。
　　开关电源的损耗发生在哪里？
　　用作电子设备电源的 AC-DC 开关电源由 (1) 从 100V 商用交流电源获得直流电流的 AC-DC 前端（整流和平滑电路）和 (2) DC-DC转换器部分（包括稳定电路）将获得的直流电流转换为所需的电压。尽管比线性系统效率高得多，但 AC-DC 开关电源的效率通常只有 80% 左右。单个电路组件的损耗通常约为百分之一到百分之几，但它们共同转化为大约 80% 的整体效率。
　　如果我们以传统的AC-DC开关电源为例，半导体元件和变压器的损耗更高。在开关系统中，商用交流电流首先由二极管（例如桥式整流器）进行整流。此处会出现大约 2% 的损耗，而整流后的平滑电容器中还会出现 0.5% 左右的损耗。
　　整流和平滑的直流电流通过开关元件脉冲化，并使用高频变压器进行电压转换。电阻比功率晶体管低的功率 MOSFET 现在被用作开关元件——但同样，高电流会导致大约 2% 的损耗。
　　变压器是另一个具有重大损耗的组件。每当高频脉冲电流流过线圈时，磁芯内部就会发生强烈的磁通量变化。铁氧体被用作变压器的磁芯材料，因为在高频使用时，铁基磁芯材料由于涡流损耗而产生过多的热量（遵循与电磁炉加热铁锅相同的原理）。尽管铁氧体的高频损耗相对较低，但仍有约 2% 的能量在磁芯中损失——因此，优选磁芯损耗最小的铁氧体材料。减少磁芯损耗会导致更高的效率以及更小和更轻的变压器。开发合适的铁氧体材料很重要，因为铁氧体的特性随频率和温度而变化。由于半导体元件、平滑电容器和控制 IC，DC-DC 转换器部分也会出现损耗。
　　DC-DC转换器的一项创新：同步整流
　　提高电源效率类似于管理家庭预算。尽可能使用高效的元​​件和电路来减少损耗，就像寻找低成本产品以尽量减少开支一样。然而，“物美价廉”并不是解决办法。因此，电源的设计考虑了性能、可靠性和成本的平衡。近年来，正在开发效率接近 95% 的 DC-DC 转换器。实现这种革命性提高效率的一项技术是一种称为同步整流的方法。此处以降压转换器为例对其原理进行简要说明。
　　如本系列的第 3 部分所述，降压转换器在开关元件打开时将能量存储在扼流圈中，并在元件关闭时释放该能量。在这种情况下，电流通过一个称为换向二极管的二极管保持在一个方向上（见下图）。但是，由于每次开关二极管都会有大电流流过二极管，因此损耗非常高。因此，低电阻功率 MOSFET 现在正在取代二极管，因为二极管不再能够处理与更快电路相关的较低电压。由于功率 MOSFET 用作开关元件，同步整流降压转​​换器使两个功率 MOSFET 的开关与控制 IC 同步。
　　同步整流类似于汽车平稳通过没有红绿灯的T形路口。如果汽车从两个方向合并，可能会发生交通堵塞和碰撞。但是，如果控制来自两个方向的汽车总是在正确的时间和正确的方向交替进入交叉路口，则可以防止拥堵和碰撞。同样，同步整流在最佳时间交替打开和关闭两个功率 MOSFET。与传统电路相比，这种方法显着提高了 DC-DC 转换器的效率，甚至消除了对散热器的需求，从而进一步减小了尺寸。在延长电池寿命方面也很有效，同步整流越来越多地用于移动设备的紧凑、高效 DC-DC 转换器。​​​​​​​
　　“软开关”降低了损耗和噪声
　　“软开关”是一种应用于同步整流电路的技术，因为传统开关（也称为硬开关）会导致相当大的损耗。由开关产生的电压和电流波形实际上是被扭曲成梯形的方波。一些波形在打开和关闭时不可避免地重叠，从而导致开关损耗。软切换试图减少这些重叠。当电压和电流为零时，它会精确地打开和关闭 MOSFET。
　　还有一种方法可以同步两个功率 MOSFET，方法是在它们之间创建一个“死区时间”，以防止它们同时开启。此外，电压和电流相位可以适当地偏移和交错，以减少重叠造成的损失——一种称为“相移”的技术。已经为软开关设计了各种电路方法。该技术的精髓在于用最少的组件对电压和电流进行适时控制。
　　上述降压转换器是非隔离式 DC-DC转换器的示例，但同步整流方法也已用于带变压器的隔离式 DC-DC 转换器中。下图显示了反激式转换器中的简单同步整流电路示例。它与常规反激式转换器的不同之处在于，辅助绕线安装在变压器的次级侧并连接到功率 MOSFET (Q2)。当变压器初级侧的功率MOSFET（Q1）关断时，储存在变压器铁芯中的能量被释放，在辅助绕线中产生电压（感应电动势），驱动电源的栅极MOSFET (Q2)。主要优点是可以以低成本生产同步整流电路。
　　虽然开关电源已经取得了显着的效率，但它们带来了一个麻烦——开关动作产生的高频噪声。电源中的噪声对策将在下一篇文章中讨论。尽管如此，软开关不仅具有低开关损耗的优势，而且还可以减少噪声产生。因此，它作为一种前沿的电源技术备受关注，近年来技术进步迅速。