更高能量转换效率的电源解决方案

　　美国EPA的能源之星计划对计算机在各种负载下的最小效率制定了标准，对企业服务器、外置电源模块和机顶盒的标准也在制定当中。能源之星的标准很快被日本、中国、欧洲和澳大利亚所采纳。电源在减少能源消耗方面将发挥关键作用，在如何提高效率上出现了一些新的关注重点。

　　传统拓扑技术

　　输入电压范围、输出电流和输出电压决定了选用何种拓扑方案。在商用的高容量电源中，选用何种拓扑的决定因素常常是成本，设计者对拓扑的熟悉程度，以及元器件是否容易采购。

　　常用的传统拓扑结构是单开关前向（1Sw）、双开关前向（2Sw）和双开关半桥（HB）结构。这三种结构可以提供稳定的具有成本效益的解决方案，但在一定的成本约束下，达不到所需的效率。典型的电源适配器和高容量电源的峰值效率可以达到60%～70%，但在轻负载条件下的效率很差。目前的法规要求，在20%、50%和满负载条件下的效率都要达到80%，而且还必须保持非常低的待机功耗。

　　开关前向

　　开关前行拓扑（见图1）是极为常用的一种结构，容易设计、性能稳定、成本低廉，并且所需的元器件也较少。在满载或接近满载的情况下，这种拓扑的效率受限于50%的占空比，低占空比会使匝数比相对较低，原边电流相对较高。在轻负载条件下，开关损失会使效率变得很差。在现在的很多设计中，常采用PFC（功率因数校正）前端来减少谐波电流。当采用功率因数校正的输出电压在400V以内时，单开关前向必须使用耐压大于900V的开关FET，这样就会增加成本。

　　图1 简单稳定的1-Sw前向拓补

　　双开关前向

　　2-Sw开关前向拓扑（见图2）是在单开关前向的基础改进后的设计，旨在解决开关电压范围较窄的问题。这种拓扑提高了开关的电压等级，以使输入电压最大化，但不需要两个开关，其结构仍然是硬开关拓扑，因此开关损耗较高。为驱动高压侧的MOSFET所增加的启动电路和驱动器使得系统的复杂度也提高了。

　　图2 2-Sw前向拓补降低对开关管的电压要求

　　半桥拓扑

　　半桥转换器（见图3）可以满足更高输出功率的要求。半桥转换器可进行两个四象限操作，降低了原边FET的电流应力，这一点类似于双开关前向转换器。变压器的结构和输出整流比前向拓扑的更为复杂，同前向转换器一样，半桥转换器的开关损耗也是一个很大的问题。

　　图3 半桥拓补适合高电流应用

　新的拓扑结构

　　一些所谓新的拓扑结构其实并不真是新的，有些已经被提出很长时间了。但在商用的高容量系统中采用这些拓扑还是最近几年的事情，其原因是更高的效率要求和新型的IC使得这些拓扑结构具有了很好的成本效益。

　　有源钳位前向拓扑（见图4）是一种软开关拓扑，虽然看起来像传统的前向拓扑，但一直以来都被认为难以部署，因此基本上只在非常特定的高功率应用中采用，主要是电信行业。

　　图4 NCP1562采用的有源钳位拓补是一种软开关技术

　　这个设计中，在主开关关断的整个时间段内，用与辅助开关并联的电容器对变压器进行复位，避免了在单开关前向设计中的死区时间问题。由于低开关损耗和大于50%的占空比，这种拓扑在整个负载范围内都能实现很高的效率。在扩展的占空比下工作降低了原边电流，减小了开关管上的应力，而且还具有自驱动的同步整流。这种拓扑可以使用低电压也是低成本的MOSFET，在同步整流中是很好的选择。采用有源钳位器件和控制有源钳位FET看起来会增加复杂度，但由于无须采用缓冲器、复位电路，对开关管的各项要求降低了，会抵消所增加的复杂度。

　　安森美半导体公司等器件厂商所提供的先进IC极大简化了这种拓扑的部署，在高容量应用中采用这种拓扑可有效地降低器件成本。然而，与双开关前向或半桥转换器相比，有源钳位前向拓扑还是需要较高电压等级的开关管。

　　LLC（电感-电感-电容）谐振拓扑（见图5）是最适合需要高输出电压的LCD和等离子电视等应用的技术，与有源钳位拓扑相似，这种拓扑也是一种软开关拓扑，可以实现非常高的效率。这种拓扑不需要电感，从而降低了成本和尺寸，在原边器件上的应力也减小了。

　　图5 LLC谐振半桥拓补适合需要高输出电压的应用

　　这种拓扑也有一些缺点，包括非常复杂的电磁设计、变化的频率和输出电容器中的高纹波电流，而且较难实现宽输入电压。

　　比较

　　● 原边开关管：对300～400Vdc的输入电压，有源钳位拓扑的原边峰值电流是最低的。1-Sw和2-Sw前向拓扑的等效电流与有源钳位拓扑的电流相近，但由于MOSFET电压等级不同，使得导通损耗要高一些。

　　● 谐振半桥转换器的直流二次侧整流器电压应力是最低的，其次是有源钳位转换器，然后是1-Sw和2-Sw前向转换器。由于开关尖峰的原因，传统拓扑中的二次侧应力还要高。

　　● 由于不需要输出电感，谐振半桥拓扑的电磁设计显然比较简单，然而，变压器的设计难度会大大增加。与传统的前向转换器相比，有源钳位转换器的输出电感的尺寸要小13%左右。

　　● 谐振半桥转换器的输出电容器的电流纹波是最高的。

　　● 有源钳位前向转换器可以实现很高的开关频率（200～300kHz），而硬开关拓扑的开关频率通常低于150kHz。谐振半桥转换器的开关频率是可变的，在满负载和低输出电压情况下，典型的最低频率一般设定在60～70kHz，最高频率可以达到数百千赫兹。