模块电源与应用

(2）整流二极管的损耗与同步整流
在传统的整流中采用二极管整流，而在低电压输出条件下一般采用肖特基二极管整流，肖特基二极管和其他整流二极管相比具有开关速度快，正向电压降低的优点，但是肖特基二极管的正向电压降和整流输出电流的大小有关，整流输出电流越大则正向电压降越大，有可能高达0.5～0.6V或更大，并且肖特基二极管的反向漏电流较大。

而同步整流技术利用导通电阻小，低耐电压的场效应管（MOSFET）来代替普通整流二极管。由于同步整流MOSFET具有导通电阻低（一般只有几mΩ）、阻断时漏电流小、开关工作频率高的特点，可以极大的减小电源整流部分的功耗，使电源系统的工作效率明显得到提高，但是在具体应用中同步整流的实现要比二极管整流要复杂些。在开关电源的低电压大电流输出应用场合，同步整流技术有着很好的应用前景。

(3）磁性元器件的损耗
变压器损耗也是模块开关电源损耗的重要部分，变压器损耗主要有铁损和铜损。铁损是指由由变压器的材料、形状、工艺结构等有关因素而引起的高频损耗，铜损是指由变压器绕组线路而引起的传导损耗，为了减小变压器的铁损，应选择高频特性好、高频损耗小、磁芯结构形状合理、结构紧凑的磁芯材料。

同时为了减小模块开关电源的体积，应尽力提高模块开关电源的开关工作频率，如要提高到500kHz左右或更高，普通磁芯材料的损耗很大，磁芯很容易过热而磁饱和，以至无法正常工作，所以在模块开关电源中必须选用磁特性优良的高频磁芯材料。

磁性元器件的尺寸大小和开关工作频率有密切关系，在磁性元器件允许的工作频率范围内，磁性元器件的尺寸和开关工作频率成反比，要想减小模块开关电源高频开关变压器和电感等磁性元器件的体积，需提高开关工作频率。

同时，模块开关电源中高频开关变压器绕组的设计也很重要，高频开关变压器的绕组不仅对铜损有影响，而且关系到高频开关变压器绕组间的耦合，对高频开关变压器的铁损也有影响，高频开关变压器的设计和制作对模块开关电源的工作性能有很大的影响。

模块开关电源的发展趋势
模块开关电源的以下几个发展动向值得注意。

● 功率密度越来越高，低电压（例如，输出电压低于3.3V或更低）、大电流输出。同时模块开关电源的瞬时负载动态响应特性要快；

● 使用的高可靠性，工作安全性要求越来越高；

● 工作效率越来越高（例如美国能源之星的有关要求）；

美国能源之星对电源有载、空载工作模式下的工作效率和Ecos Consulting制定的80 Plus有关工作效率要求分别如表1、表2和表3所示。

可见对电源的工作效率要求越来越高。而要实现以上的有关技术要求，只有在电路拓扑、性能更为优秀的元器件、封装、散热、有关控制集成电路的生产和电路加工制造技术等方面进行改进。

● 模块开关电源的设计日趋标准化，控制电路越来越多的采用数字控制方式；

● 开关工作频率越来越高，这样模块开关电源的动态响应才能快，这也是减小模块开关电源体积的重要途径。例如，小功率模块开关电源的开关工作频率已由现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但是，模块开关电源的高频化又会产生如开关损耗以及无源元器件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI等新问题。

开关电源一般的PWM开关控制方式均为硬开关，PWM硬开关过程中产生的dv/dt和di/dt都比较大，因而开关损耗大、冲击大，功率开关管结温高、工作寿命短。而采用ZVS（零电压开关）或ZCS（零电流开关）开关可以使功率开关的过程更为平滑，损耗和冲击更小，因而可以降低功率开关管的结温，极大地提高开关电源的工作寿命。另外，高频开关本身也是模块开关电源中一个主要的噪声源，大的dv/dt和di/dt都会产生较大的噪声，采用软开关技术后，大大减小了dv/dt和di/dt，模块开关电源本身也获得了较好的电磁兼容性（EMC）。

为提高模块开关电源功率密度，软开关和同步整流技术引起了广泛的关注，业界先后提出了谐振变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器等多种软开关技术。零开关PWM变换器利用谐振实现换相，换相完毕后仍采用PWM工作方式，从而既能克服硬开关PWM在开关过程中的缺陷，又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点，极大的降低了功率开关管上的开关损耗。同时，由于功率器件的发展，使模块开关电源的开关工作频率大为提高，一般PWM开关技术也可以工作在500kHz以上，极大的降低了磁性元器件的体积，提高了模块开关电源的功率密度。

目前世界上比较优秀的模块电源供应商有VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON及POWER-ONE等厂商