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开关电源降低损耗的各种技术

未经专门损耗控制技术设计的PWM开关电源的效率会低于有损耗控制技术的开关电源。对于那些散热没有问题的开关电源,如一些离线式电源来说,效率也许能令人满意。但对于便携式电源和要求体积很小的设备,则必须寻求更高的效率。要提高电源的整体效率,有几种技术可以选用。

开关电源主要的损耗类型是导通和开关损耗。选择更好的功率开关或导通电压更低的整流管可以降低导通损耗。采用同步整流器可以减少整流器的导通损耗,但空只能用于正激式电路拓扑且不包括断续模式升压式变换器。同步整流器会提高电源效率的1%~6%,这取决于电源平均运行占空比。进一步的提高则必须采用其他技术。

开关电源内部当输入或输出电压较高时(大于DC20V),开关损耗会更大,而整流管的正向电压降相对于输入输出电压则显得较小。开关瞬间电压和电流和乘积与电压和电流成正比。

开关损耗主要出现在开关电源的两个等效节点上:功率开关的漏极(或集电极)和输出整流管的阳极。它们是开关电源内部的主要交流节点。在无变压器隔离的拓扑中,功率开关的集电极(或漏极)直接和输出整流器的阳极相连接,因而只有一个节点。在变压器隔离拓扑中,这两个节点被变压器隔开,它们的处理稍微有点不同。

开关期间电压和电流值很大,并且同时还出现电压和电流的尖峰,使得损耗更大。

处理这两个节点要达成4个目标:
1.降低所有导通和关断瞬间的电压和流过的电流。
2.使所有PN整流管的反射恢复效应最小。
3.消除所有寄生元件产生的尖刺。
4.尽可能多的使这个“损耗”能量返回到电源的能量流中。
设计者并不能完全达成所有的这些目标,但是改善这些条件,可以使电源总体效率再提高3%~9%

改进这些电路时,另一个要考虑的问题是要尽量限制波形的带宽,以减少EMI。大多数EMI能量产生于电源的开关过渡过程,并向周围辐射。一般通过在能量返回电源的电流支路中加一个小电感,可以大大改进EMI性能。

为此,通常采用附加电抗性元件以及二极管或MOSDET来控制这种作用。对标准的PEM拓扑的改进类型主要有三种:
1.无损吸收电路。
2.有源钳位电路。
3.准谐振改进电路。
无损吸收和有源钳位电路使PWM波形有“软”的边缘。

对于功率开关交流节点,关断瞬间电压有延时,这为输出整流器提供了正向恢复期间磁性元件逐步加载的过程。对于输出整流器交流节点,希望在关断时电流被延时,这可限制整流器反向恢复期间引起的反射电流尖峰。


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