高效率電源的設計

高效率電源的設計:效率是電源設計的關鍵參數。來自各個方面的壓力都迫使新電源的設計者努力提高其效率。本文將討論對更高的效率的需求，并展示設計一個電源時可采用的針對效率的優化方法。本文還將研究不同的電路拓撲結構，并研究開關損耗和導通損耗的影響。本文主要關注隔離型開關電源。這種結構既適用于DC－DC變換器，也適用于AC－DC變換器。文中也將討論必須在效率和系統成本之間進行的折中取舍。而一個AC－DC隔離型電源將被用作示例。
原因何在？
環保、法規、成本的削減、可靠性和新興的技術，是試圖設計一款效率更高的電源的理由。環保方面的理由是顯而易見：更高的效率等同于更少的浪費。中國的CECP（節能產品認證中心）、美國的EPA（環保局）以及全球的其他執法機構都正在制定關于電源效率方面的新的、嚴格的指導方針。
OEM們也提高了效率方面的指標要求。在系統層次上，客戶并不希望由于采用低效率的電源而浪費金錢。高效率的電源，其可靠性往往更高，這對許多客戶來說，是一個非常重要的考慮因素。從長期來說，這可以節省成本，因為系統的壽命更長，所需的維修工作量和質量擔保方面的成本也可以下降。
隨著系統的復雜性和計算能力的提升，客戶也提出了更高的功率需求。同時人們也需要更小的外形尺寸。在隔離式電源中，現在的功率密度常?？梢赃_到15W/in3。這就帶來了對更小的散熱器和元件的需求。因為熱耗散是功率變換的直接效應，現在散熱可用的空間就更小了。氣流也受到了密集排布的元件的阻礙。令情況更為復雜的是，由于功率密度的增加，能量損耗的密度也更為集中。更高的效率就意味著更低的熱耗散。提高電源效率正在迅速成為提高功率密度時唯一可行的措施。
多高的效率，才可以算作高效率？
高效率是一個抽象的詞眼。在哪些因素決定了一個電源是否屬于高效率器件這一問題上，人們形成了多種不同的觀點和派別。本文所關心的焦點是AC－DC電源，因此80％以上的效率就可以被視為高效率?，F在，市場上可買到的電源中，有的已經實現了90％的效率，但這些產品所瞄準的都是高端市場。
輕負載時的效率
在這個問題上，規范和常識有時會發生沖突。這一問題是在歷史上形成的，當時效率在許多設計中都不是一個關鍵的因素。在電源壽命的絕大部分時間內，工作負載都低于60％。電源很少在滿負荷下（100％）長時間工作。然而，在設計之初所收到的規格要求卻僅僅針對滿負荷的情況來給出，于是設計也是針對滿負荷時的效率進行優化的。
制造商現在則以輕負載時的效率來作為其設計的一個實實在在的賣點，因為這能更好地反映出電源的真實性能。他們與自己的客戶合作，將更能反映設計的典型工作條件的指標收入其規范中，而不僅僅考慮極端的情況。CECP、EPA和其他組織，也正在研究關于輕負載條件下的效率的新的法規。新的革新性技術，例如數字化控制，正在被用來改善在全部負載譜范圍內的效率。在輕負載條件下，開關損耗占到了主要地位，而在更大的負載下，導通損耗則占了主要部分。后面還將討論如何減小這些損耗。