设计高效AC/DC电源的方法

设计高效AC/DC电源的方法

电源就像保险单－你知道自己需要它，但你宁可永远都不必用到它。同样，你的下一代电子电子产品也离不开电源。从另一方面看，电源又和保险单不一样，因为在过去的20多年里，保险单一直在不断涨价，而电源则越来越小，功率越来越高，成本越来越低。缩小电源体积以给系统其它功能留出更多空间的趋势将继续下去。而且，电源还必须符合已有的标准格式，以避免系统重新设计。

对于AC/DC电源来说，推动这一趋势的并不是技术上的新突破，而是良好的设计，以及创新性地结合各种工艺和技术的优点来开发出性能高于平均水平的电源。本文将要讨论的是常见的100W－200W的AC/DC电源设计，其中着重强调的是结合各种方案来设计外形最小成本最低的电源，并实现最高的效率和应用灵活性。

我们首先谈一谈设计的几个主要目标。首先，电源必须越小越好，以给系统的其它功能留出更多的空间。第二，电源的功效要越高越好。在实际中，电源并不是最耗能的，而是微处理器，但是电源仍然需要进一步提高功效，因为功效越高，所需的散热片就越小，这样才能进一步节省系统空间。对于100W-200W的电源来说，要实现90％的功效是不太现实的。高功率的电源功效每提高1％，热量就能降低10％，电源所需的冷却程度也会产生极大的不同。第三，成本当然永远是最重要的因素，无论是原材料成本还是制造复杂性方面。简单设计是一个重要因素。最后，还要考虑功能。控制和报警信号、和同类设备的均流以及在各种交流输入情况下保持稳定性能等都是非常重要的。

我们来看看下面图1中展示的AC/DC电源，这里的几个方法可以在保证性能和功能的前提下将大小和成本最小化。 

图1：缩小AC/DC电源外形的步骤

输入滤波器。使用一个两阶式滤波器可以使电源外形最小化，并实现高共模和微分降噪。如果垂直堆叠组件，则可以节省板空间，同时改进冷却。

功率因数校正电路（PFC）。由于碳化硅二极管的价格在过去两年降了下来，在电源中使用这一产品已经成为了可能。反向电流特性使碳化硅二极管不需要缓冲电路，因此可以节省5－6个组件。另外，碳化硅二极管一般还可以将功效提高1％。如果使用阶梯感应器，可以在高输入线时提供高感应，在低输入线时支持最可能大的流量密度。在输入范围中使用连续感应模式（CCM）操作，可以保持最小的峰值转换电流和输入滤波器要求。 

主变流器。在这里，使用谐振拓扑可以基本上消除开关损耗。这样不仅改进了电源效率，而且使电源可以使用更小的散热片。实际使用中，有时可以在功率晶体管中以陶瓷基片代替金属基片。陶瓷基片可以减少噪音，并因此简化滤波过程。这是因为散热片没有和开关MOSFETS的损耗耦合的电容。另外，使用陶瓷散热片时的爬电距离比金属散热片所需的距离要短，这就进一步节省了板空间。 

输出整流器。此处使用开关式MOSFETS而不是输出整流器二极管来进行同步整流。这样可以极大地降低功耗，从而提高功效。比如，一个正向电压0.5V的二极管在20A时的功耗为10W。而如果使用一个开启时电阻为14mOhm 的MOSFET，功耗最大只有5.6W，与二极管的功耗相比小了44％。这里也可以用陶瓷陶瓷基片来代替传统的散热片。

控制电路。半导体制造商最近以来一直在开发用于电源的集成化控制电路。这样可以减少组件数量、降低制造成本并节省板空间，哪怕集成电路可能本身比离散组件更为昂贵。比如IR1150－这是一种PFC芯片，作为单循环控制（OCC）设备使用，可以在保持电源系统性能的同时大大减少元组件数量。同样，可以通过特殊应用芯片来进行主转换器电压控制、过电流保护、过电压保护和过温度保护，并控制输出整流器转换。另外，还可以通过同步单启动分源、借助逻辑控制来关闭电源的抑制电路、“电源状态良好”信号、备用转换器控制功能等控制渠道来提高应用的灵活性。当交流电源存在时，备用转换器可以单独提供5V的输出。

XP Power的EMA212电源代表着目前最好的AC/DC电源（如图2）。它的主要指标如下：

采用上文提到的技术，输出212.5W，占位面积3 x 5英寸，最高高度仅1.34英寸；

以行业标准的占位面积达到了10.55 W/立方英寸的电能密度；

有一个12V或48V的主输出，另有12V 1A用于驱动风扇，以及一个5V的待机输出，功率200W；

强迫通风冷却只需12CFM，使用标准的40 x 40mm风扇就能很容易实现；强迫通风冷却是目前很多通信系统的通用指标，而12CFM是很容易实现的，不需要复杂的机械装置。

全负载时功效可达91％。

图2：拥有最小功耗的电源的范例

半导体设备性能和功能的改进，仍将继续成为推动AC/DC电源设计改进的主要动力。更好的磁性组件和无源组件也将起着重要作用，但这方面的发展最多只能是改进，而不能达到彻底的变革。要设计出最好的电源，就必须使用最新的组件，并以创新型方法加以结合，来实现更具挑战性的设计目标。

关于作者：

Gary Bocock是XP Power公司技术总监，优秀电子工程师（HNC），电气工程师协会（MIEE）成员，在电源设计、开发、应用和管理上有20年的经验。他在XP Power已经工作了10年，担任过各种工程和管理职位，直至现在的技术总监。