高效率开关电源设计思路

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的 解 决 方 案
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电路板
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（四）输出滤波电容器的选择要点
1. 开关频率不很高时，需要考虑到容量； 但是电容器的ESR和可以承受的纹波电流 必须考虑； 2. 开关频率很高（如200kHz以上），主要 考虑电容器的ESR和纹波电流承受能力； 3. 随着大电容量陶瓷电容器的问世和价格 越来越低，陶瓷电容器将是输出滤波电容 器越来越多地选择。
单级功率因数校正最大的优点是电路简 单，可以在基本上不增加主要元件和成本 的基础上实现功率因数校正的功能；
单级功率因数校正的主要形式
以Infineon 的电流泵为代表的单级功率因数 校正技术。特别适用于电视机，显示器等 需要低电磁干扰的应用； 无输入整流滤波电容器的反激式开关电源 单级功率因数校正技术。特别适用于负载 带有稳压功能的电源适配器，如笔记本电 脑电源适配器
准谐振反激式开关电源原理
准谐振反激式开关电源的主电路
缓冲电路作用于复位的等效电路
缓冲电路作用期间 缓冲电路的复位
主要波形
与无源无损耗缓冲电路相比的优点
1. 由于采用变压器初级激磁电感作为缓冲 电容器的复位电感，缓冲电路中省去了二 级管和复位电感； 2. 由于缓冲电路中仅剩下缓冲电容器，缓 冲电路将“没有”损耗产生，效率会进一步 提高； 3. 开关管在漏-源极电压最小值处开通，使 开通损耗变得最小化。 4. 缓冲电容器的复位没有经过开关管，缓 冲电路的复位过程不会增加开关管的导通 损耗。
应用TOP Switch的ATX电源电路的 次级部分
应用TOP Switch的ATX电源电路的电路板图
应用TOP Switch的ATX电源电路的电路板图
（二）准谐振反激式开关电源的实现
应用IRIS4015实现准谐振反激式开关电源; 应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源;
应用NCP1207实现准谐振反激式开关电源。
1. 对于MOSFET而言，降低导通电阻可以 有效降低导通损耗。 例如将IRF840换成IRF740可以将导通 电阻从0.8Ω降低到0.55Ω，导通损耗可以 降低40%以上； 如果采用CoolMOS的SPP07N06C3 （RDS （ON）=0.6Ω）替代IRFBC40（RDS（ON） =1.2Ω）导通损耗可以降低一半。
无源无损耗缓冲电路的优缺点
优点：可以不改变原有的控制方式，只需 将无源无损耗缓冲电路直接替代RCD缓冲 电路即可。 缺点：缓冲电路中二极管的反向恢复可能 引起某种程度的电磁干扰；二级管和复位 电感仍会产生一些损耗；缓冲电路复位时 将增加开关管的导通损耗。
如何克服无源无损耗缓冲电路的缺点？
1. 问题在于电路中存在二极管、复位电感； 2. 上述器件在工作过程中均存在损耗问题； 3. 解决问题的思路是：设法去掉缓冲电路中的二 极管和复位电感； 4. 复位电感问题如何解决？可以利用变压器的初 级激磁电感； 5.这就是准谐振反激式开关电源基本设计思路。
最高电源电压和最大负载时开关管 漏-源极电压波形
动态自供电示意
直流母线变换器
200W 200W 直 流 母 线 变 换 器 电 路 板图
300W直流母线变换器电路板图
LLC谐振桥式变换器的实现
（三）高效率开关电源 的其他设计思路
1. 级联方式的开关电源
可以发挥各变换器的优点，避免缺点。实 现性能最佳、效率最高。
变形CUK变换器与自然零电压开关 变换器组合
变形CUK变换器可以获得比BCUK变换器还 高的效率和安静输入输出特性；
利用变形CUK电路的功率因数校正
具有限流功能； PFC输出电压低于输入电压，可以使后级 PWM的实现更容易，更高效； PFC滤波电容器可以是低压的，有利于降 低成本。
2. 单级功率因数校正
开关频率低于LC谐振频率时的等效电路
开关频率低于LC谐振频率的主要波形
开关频率高于LC谐振频率的主要波形
电路特点
1. 开关频率低于LC谐振频率工作模式下，输出 整流器在LC谐振电流下降到零后自动关断，开 关管开通使输出整流器的反向恢复结束，所产生 的电磁干扰相对低；而且也不会产生对开关管不 利的由于输出整流器的反向恢复所造成的开关管 的开通损耗。 2.开关频率高于于LC谐振频率工作模式下，输出 整流器的反向恢复将在开关管的开通过程完成， 可能会出现比较大的电磁干扰；还可能会使开关 管的开通损耗增加。 3. 综合考虑，一般选择开关频率低于LC谐振频 率工作模式。
零电压开关同步整流器
自 然 零 电 压 开 关 的 主 要 波 形
二、高效率开关电源设计实例
1. 应用常规控制芯片的实现方法； 2. 准谐振反激式开关电源的实现方法； 3. 自然零电压开关变换器与直流母线变换 器的实现；
（一）应用常规控制芯片实现高效 率开关电源
采用无源无损耗缓冲电路的UC3842应 用电路 应用TOP Switch的高效率开关电源
数字降频特性
数字降频的开关管漏-源极电压波形
重负载时开关管的漏-源极电压波形
数字降频的开关管漏-源极电压波形
负载减轻后开关管在第二个漏-源电压的极 小值处开通
数字降频的开关管漏-源极电压波形
负载进一步减轻时开关管在第三个漏-源电 压的极小值处开通
数字降频的开关管漏-源极电压波形
负载更加减小时开关管在第七个漏-源电压 的极小值处开通
高效率开关电源设计思路
陈永真 0416chenyongzhen@163.com
一、开关电源损耗分析与 减小的方法
变换器的损耗主要是开关管的损耗
1. 开关管的导通损耗； 2. 开关管的开关损耗。
开关管的导通损耗
其中的电压和电流均为有效值。
矩形波是占空比与有效值的关系
降低开关管的导通电压可以有效地 降低导通损耗
应用ICE1QS01实现准谐振反激式开关电源
电路板元件排布图
电路的印制板图
电流泵对功率因数的贡献
通过简单的电路可以将开关电源的功率因 数提高到要求值。
用NCP1207实现准谐振反激式开关电源
75W显示器开关电源电路板图
75W显示器开关电源电路板元件排布图
不同输出功率时开关管漏-源极电压波形
应用IRIS4015 实现准谐振反激式开关电源
样机的电路板元件排布图
样机的电路板图
轻载时的开关管漏-源极电压波形
满负载时的开关管漏-源极电压波形
需要解决的问题
轻负载时开关频率升高的限制。 解决方法1：采用QR/PRC（准谐振/脉冲比 率控制）控制方式 。
PRC工作状态下的空载漏/源极电压波形
尽可能增加占空比可以降低导通损耗
在开关管额定电流相同的条件下。占空比 为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的 80%
MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占 开关管总损耗的2/3； IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关 管总损耗的1/3。
开关管开关损耗产生的原因
开关管开关损耗的减小
LC谐振复位的单管变换器缓冲电路
缓冲电路作用期间
缓冲电路的复位过程
相关波形
双管箝位的无源无损耗缓冲电路
开关管导通状态
缓冲电路起作用期间的等效电路
箝位二极管导通
开关管重新导通与缓冲电路复位
无源无损耗缓冲电路对效率的贡献
与RCD缓冲电路相比，无源无损耗缓冲电 路可以提高效率3~5%。
测试结果
1. 样机：输入220VAC±20%，输出电压 24VDC/3.5A。 2.电源效应与负载效应：＜1%。 3.效率：89%。 4. 输出电压尖峰：88mV（100MHz示波器 测试）
解决方法2：数字降频
利用Infineon的数字降频的准谐振反激式开 关电源控制芯片ICE1QS01对反激式开关电 源进行控制，实现数字降频。
让我们继续努力！
进一步改进效率的思路
考虑正激变换器的效率比反激式变换器的 效率高，可以考虑在正激变换器中采用谐 振式工作模式。 问题的关键是变换器如何工作在谐振工作 模式，以确保开关管的零电压开关。 合适的调频工作模式可以确保开关管的零 电压开关。
LLC谐振桥式变换器
LLC谐振是桥式变换器获得零电压开关的最有效的方法
采用无源无损耗缓冲电路的UC3842应用电路
采用无源无损耗缓冲电路的UC3842应用电路板图
应用TOP Switch的高效率开关电源 （1）70W反激式开关电源电路
70W反激式开关电源电路电路板图
应用TOP Switch的ATX电源电路(2)
应用TOP Switch的ATX电源电路的初级 部分
效率改善情况
准谐振反激式开关电源的效率将比采用无 源无损耗缓冲电路的反激式开关电源高 5~8%；比RCD高至少10%。
准谐振反激式开关电源的不足
准谐振反激式开关电源毕竟是通过电感将 输入电能转换到输出，使得输入向输出传 输电能不连续，因而效率尽管有明显的提 高，但是，要进一步提高电源的效率（如 90%以上）将是不可能的； 开关管的耐压比较高，至少要600V以上， 是开关管的性能下降。 临界电流型，开关管的损耗要比电流连续 型大。
1. 修正开关管的电压电流波形相位，使其 尽可能的错开 2. 缓冲电容器复位，为下一次起作用做好 准备；
开关过程的负载线
ห้องสมุดไป่ตู้
缓冲电路
DCR存在的问题
1.将开关管的损耗转移到缓冲电路中。实际 上并没有提高效率。
解决的思路
1.需要将缓冲电容器复位释放的能量回收； 2. 采用LC谐振使缓冲电容器电压复位
自然零电压开关
自然零电压开关电路结构最简单，因此下 率也将是最高的
开关管关断过程的电压/电流波形
续流二极管续流电感中的电流
下边的开关管开通
在下边续流二极管续流的状态下，与其并 联的开关管导通，实现了零电压开通。 电感电流反向后，开关管不再起到续流作 用，正是开始传输功率。
开关管零电压开通过程主要波形