开关电源节能降耗及散热

开关电源节能降耗及散热

----- 2011-8-13

电源几个问题：

1、PFC与电网绿色节能关系？开关电源转换效率与PFC电路关系？

2、效率与开关电源拓扑的关系？效率范围内，如果通过器件选型提高效率？

3、热耗影响什么？如何进行散热。散热片的选取？

4、布局布线优化提高效率？

一、PFC与电网绿色节能关系？开关电源转换效率与PFC 电路关系？

现在无论做什么事情都讲求绿色讲求环保，对于计算机来说，主板、显卡、CPU都开始推广绿色节能概念，各种节能技术也开始大量运用。

提到电网节能先来了解下PF概念：功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。

凡是造成电压及电流由相位差的电路或者负载都会引起功率因数小于1。纯阻性负载如白炽灯，电阻丝不会引起功率因数下降，而感性负载和容性负载都会引起功率因数下降。如感性负载电机。容性输入的开关电源

☆提高功率比因数，提高电网电能利用率。

同样一台1000KVA的变压器，负载端功率因数从0.5变化到0.9后，它就可以多承担450KW的负载。

举例而言，负载功率为500W，功率因数为0.8；则变压器需要输送1000KVA能量。

负载功率因数为0.5，500/0.5=1000KVA

负载功率因数为0.8，500/0.8=625KVA

负载功率因数为0.9，500/0.9=555KVA

提高功率因数，需要输电端能量更小，电厂发电能量更小：提高了电网利用率

若干年前在家里，晚上木匠的电刨子一响起，就看到家里的灯泡变暗，电视机也变暗，与输电线路总能不够有关系，欠压了。

提高功率因数，实际是减小电网中无功功率，无功功率从理论上讲只会在电网中来回往返，但输电线路是有电阻的，所以无功功率会增加线路损耗，浪费电能。最重要是用电设备端功率因数低电厂就得

用较大容量的发电机发电，传输设备的容量也会加大，成本势必高。可以说国家电网发电增加无功功率是迫不得已的措施。故提高功率因数，相当于给国家电网节能降耗。

用户电表是按照有功功率进行收费（W），从用户角度一些小功率的负载没有必要加PFC电路。而大功率的负载或者电能转换电路必须有功率因数校正部分。

开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时功率较大的开关电源一般必须要PFC电路。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)” “电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。。

而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容

从节电结果来看，PFC电路和拓扑电路分别影响着市电电网和个人用电量。例如整机功耗为300W时，以80%的转换效率来算，电源的输入功率为375W（300W/80%），用户需要以375W来掏电费。如果此时功率校准因素为0.9的话，那么市电需要消耗417W（375W/0.9），也就是说国家需要为浪费的42W“埋单”；如果校准因数只有0.7，那么在电网中浪费的电力就高达160W。

☆无论功率校准因数也好，转换效率也罢，都直接影响着负载对电能的需求，和国家发电量有莫大的关系。从为国家节约能源并减少排放二氧化碳的利益出发，电源的节能前景需求可以说已经越来越清晰了。

二、效率与开关电源拓扑的关系？效率范围内，如果通过器件选型提高效率？

☆开关电源具有PFC电路与开关电源的转换效率关系。

大功率（150W以上）的开关电源从电网节能上考虑需要PF电路，PF电路响开关电源的转换效率，具体分为升压电路效率与后级DC-DC变换效率。采用PFC电路的开关电源，可能提高开关电源的效率，也可能降低开关电源的效率，与DC-DC拓扑有关系。如：1*82% 94*90%。但是PFC电路由于器件损耗是必然的。在选择了PFC升压电路提高功率因数后，如何提高开关电源DC-DC的转换效率呢？换句话说如何为自己的供电设备节约电费呢。那转换器必须有较高的转换效率，无用的热耗降到最低。

☆效率与拓扑的选择关系很大，可以说拓扑基本已经决定了转换器的效率范围。

插图分析

☆模块真正使用时比规格书上宣称的要低，并且有一定的散热条件。

☆反激变换为例，看器件的效率计算

示例1，元器件损耗

例1反激中功率（88%效率）例2小功率（70%）对比

48V ---5.5V 2A 48V ---5.5V 0.5A

☆选定拓扑后，通过器件的优化能在拓扑范围内提高效率。如反激电路中小功率损耗主要在MOS 管开关损耗上，适当降低开关频率，选择电流较小的控制器为宜。中高功率的损耗在开关管及整流管上，采用同步整流方法较多。

所有电路中减小器件应力增加的辅助电路，如吸收电路，钳位电路，假负载都会影响电路效率，在管子应力满足条件下，从效率角度上考虑可去掉，但也要综合考虑传导和辐射的影响。

三、发热影响什么？如何进行散热。散热片选取

3.1发热影响可靠性及电气性能

☆热设计对开关电源是相当重要的，电源的性能优劣很大程度上取决于整机及内部器件的散热。散热差的开关电源可靠性差，热积累使得参数畸变。整机指标变差。

如MOS管Rds随温升增大而升高，热积累，没有散热片，很容易热失效。

控制器UC3842等器件温度过高，参考电压漂移严重，输出电压偏差较大。

电容纹波电流大，热耗大，影响寿命。

连接器发热有可能损坏输入输出插座及连接线，造成起火。