美國環(huán)保署(EPA)的能源之星(Energy Star)計劃在2007年7月20日正式開始實施,，這是針對個人電腦在不同負載下最低效能要求的規(guī)范。同時,，它也為其他設備,，包括企業(yè)服務器、外部電源(使用在如游戲機或筆記本電腦等)以及一系列家用設備規(guī)劃或制定了類似的要求,。由于能源之星在制定時都會和其他國家和地區(qū)的同類機構合作,，因此它已在這些國家得到了采用。
電源在降低功耗上舉足輕重,，因此面對法規(guī)標準和消費者的更高要求時,，重新檢討其設計方式就顯得非常急迫。雖然可以改進傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構來達到更高效能要求,，但可以明顯地看出,，沿用舊式設計方式的產(chǎn)品，其性價比將會低,。在本文中,，我們將提出兩個能符合更高效能要求，并可控制目標成本的設計方式,，并將之和傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構進行比較,。
傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構
為特定應用選擇拓撲結(jié)構時有幾個考慮因素，包括輸入電壓范圍是全球通用還是只針對特定地區(qū),，輸出電壓是單一還是多重(電流大小也是重要的條件),，效能目標，特別是在不同負載下的效能表現(xiàn),。傳統(tǒng)上,，在大批量生產(chǎn)電源時多以成本，設計工程師對拓撲結(jié)構的熟悉度以及元件是否容易采購為考慮因素,，其他因素還包括設計是否容易實
現(xiàn)和設計方式是否在電源產(chǎn)業(yè)鏈中為大家所熟知等,。
較受歡迎的傳統(tǒng)設計方式主要為單開關正向、雙開關正向和半橋結(jié)構,，這些結(jié)構提供了滿足目前需求的穩(wěn)固解決方案,。不過如上所述，新興的標準需要電源能夠達成比先前更高的效能,。過去,，典型的臺式電腦電源可以達到60%～70%的最高效能,，但現(xiàn)在則要求電源在額定負載的20%、50%和100%時都能達到最低80%的效能,。同時,，最近更出現(xiàn)了希望能夠在低于20%負載時達到70%或以上效能的趨勢，且待機功耗能夠持續(xù)下降,。我們將探討三種傳統(tǒng)拓撲的優(yōu)缺點,，并介紹兩種新型的拓撲。
1 單開關正向
圖1中的這個拓撲相當受到歡迎,，主要原因是元件數(shù)少且設計要求簡單,，但對于不同負載情況的高效能要求卻為這個拓撲帶來新挑戰(zhàn)。在接近滿載或滿載時,，這個拓撲的效能受到50%占空比的限制,。而在較輕負載時，開關耗損是造成效能不佳的主要原因,。許多較新的設計采用功率因數(shù)校正(PFC)前端來降低諧波電流,，在400 V的PFC輸出電壓下，單開關正向方式被迫使用大于900 V的開關,，提高了FET的成本。
圖1 單開關正向拓補
2 雙開關正向
圖2是另一個使用相當普遍的拓撲,，它是解決開關電壓限制問題的升級版本,。這依舊是一個會有高開關耗損的硬開關電路。其所帶來的問題是需要使用門極驅(qū)動變壓器或芯片驅(qū)動電路來推動高電壓端MOSFET,。
圖2 雙開關正向拓補3 半橋
圖3中的半橋變壓器是高功率要求的另一個選擇,。和單開關或雙開關正向變壓器相反，半橋變壓器可以在兩個象限工作并降低原邊FET的電流,。變壓器組成結(jié)構和輸出整流比單一正向拓撲結(jié)構復雜,，也存在高開關耗損問題。
圖3 半橋拓補電路結(jié)構
新興拓撲結(jié)構
為了符合更高效能的要求,，業(yè)界已開發(fā)了數(shù)種新的拓撲結(jié)構,。這些新電路拓撲不一定是指新發(fā)明，而是新近在商業(yè)大批量應用的,。其中,，兩種最受重視的拓撲分別為有源鉗位正激和雙電感加電容(LLC)。
1 有源鉗位正激
圖4中的有源鉗位正激拓撲是一個存在已久的軟開關結(jié)構,，雖然這種結(jié)構和傳統(tǒng)的正向式拓撲結(jié)構類似,，但過去一直被視為是難以實現(xiàn)的結(jié)構，因此主要應用在特殊領域,，比如電信領域,。不過,，隨著新IC的推出，這種結(jié)構的實現(xiàn)變得非常簡單,。
圖4 采用安森美半導體NCP1562的有源鉗位正激拓補結(jié)構
在這個拓撲結(jié)構中,，變壓器在主開關的整個關閉時間內(nèi)通過附屬開關串行的電容進行復位，這樣做可以消除單開關正向結(jié)構中的無效時間,。它的主要優(yōu)點包括低開關耗損,，可在50%以上占空比工作，降低了原邊開關的電流應力,。同時,，這個結(jié)構也提供了自驅(qū)動同步整流功能，省去了專用門極驅(qū)動電路,。加之低電壓MOSFET越來越低的價格,，采用MOSFET和同步整流已經(jīng)成為實現(xiàn)低輸出電壓高電流整流的可行方案。
使用有源鉗位器件和進行有源鉗位FET的控制雖然看起來會增加電路的復雜度,，但卻可以通過節(jié)省緩沖電路,、復位電路和較低整體開關要求加以補償。這個結(jié)構也能夠在寬廣的輸入電壓范圍下工作,，因而適合多種應用,，包括電視游戲機。
這個結(jié)構的主要缺點是沒有大批量應用,，比如在計算機中,，因此一般臺式機的設計工程師對它感到陌生。不過隨著像安森美半導體等公司不斷推出產(chǎn)品,，這個拓撲結(jié)構的實現(xiàn)難度已經(jīng)降低了,。在較大批量應用中采用這個結(jié)構也能夠降低采用元件的成本。這個拓撲的另一缺點是,，和雙開關正向或半橋變壓器比較,，需要較高額定電壓的開關。 <-- 2007-12-5 23:37:38--> 2 LLC諧振半橋
圖5中的LLC拓撲結(jié)構特別適用需要高輸出電壓的場合,，如液晶和等離子電視等應用,。
圖5 LLC諧振半橋拓補結(jié)構和有源鉗位拓撲一樣，這也是一款因超低開關耗損達到超高效能的軟開關拓撲結(jié)構,。其他優(yōu)點還包括不需輸出電感,，因此可以降低實現(xiàn)的整體成本。最后,，由于采用半橋配置,，可以降低原邊元件的壓力。
另一方面,，這個結(jié)構也有一些缺點,，最主要的是增加了復雜的磁性設計,，輸出電容上的高紋波電流和可變頻率。同時,，這個結(jié)構在設計較寬輸入電壓范圍上也比較困難,。
各式拓撲結(jié)構的比較
雖然我們無法采用單一拓撲結(jié)構作為所有應用的解決方案，但卻可以依具體情況來決定采用何種電路結(jié)構,。在這里,，我們使用12V、20A輸出的變壓器設計來比較以上所述各式結(jié)構的差異,，比較重點放在主要的設計問題,，如原邊開關、整流器,、磁性,、存儲電容等。雖然還有其他差異點,，但不在本文的討論范圍內(nèi),。各式拓撲結(jié)構的差異結(jié)構總結(jié)如下?！?/p>
● 原邊開關：在300～400Vdc的輸入電壓范圍,，有源鉗位變壓器的原邊峰值電流最低，單開關和雙開關正向拓撲則擁有和有源鉗位
類似的RMS電流,，但卻因MOSFET額定電壓而會有較大的導電耗損,。
● 諧振半橋變壓器的直流次級整流器電壓應力最低，接著是有源鉗位,，然后是單開關和雙開關正向變壓器。由于開關突波的關系,，傳統(tǒng)電路結(jié)構上的壓力更高,。
● 保持時間要求可以通過增大電容容值或變壓器輸入范圍來達到。
● 在磁性方面,，諧振半橋通過移除輸出電感提供明顯的簡化,，不過在變壓器設計上則會有相當高的挑戰(zhàn)性。和傳統(tǒng)正向變壓器比較,，有源鉗位變壓器在相同頻率下的輸出電感可以減小約13%,。
● 諧振半橋變壓器由于沒有輸出電感，因此輸出電容電流紋波最高,。
● 有源鉗位正激變壓器的開關頻率可以推升到更高(200～300kHz),，硬開關拓撲結(jié)構則在150kHz以下。諧振半橋是一個可變頻率的變壓器,，在滿載低電源電壓時,，其最低頻率通常設定在60～70kHz,；高電源電壓輕載工作時，最高頻率可以達到數(shù)百kHz