开关电源如何弥补线性电源的体积、重量、发热问题

电子发烧友网报道（文/李诚）小霸王游戏机应该算是很多80、90后挥之不去的童年记忆了，除了不断擦拭游戏卡带金手指解决游戏花屏这些骚操作之外，通过反复插拔进行散热的电源变压器也算是个重量级的存在。

那时的小霸王游戏机变压器输出功率不到10W，体积却和成年人拳头般大小，而且发热严重的问题成为了不少玩家的烦恼。虽然当时我们都把它称为变压器，但它的工作原理和现在的手机电源适配器工作原理一样，都是将220V的交流电降压、整流后向用电设备提供电能。

再看看现在的手机电源适配器，输出功率从几十瓦到上百瓦不等，充电发热问题，以及产品的体积和重量都得到了明显的改善。是什么使得电源适配器朝着好的方向发展呢？

电源类型的改变

其实，当年被我们称为变压器的游戏机电源适配器和现在的手机电源适配器，在本质上并没有太大区别，但它们分别属于两种不同类型的电源。游戏机电源适配器属于线性电源，而手机电源适配器属于开关电源，也正是因为电源类型的不同，导致这两种电源适配器在热性能、体积、重量方面存在着较大的差距。

线性电源工作原理是将输入的交流电经过变压器变压后，再将交流电整流为直流电滤波输出的电源。此类电源在工作期间，功率器件输出特性曲线一直处于稳定的线性输出状态，故称为线性电源。

开关电源是通过控制开关管的导通，调整导通时间和工作周期的占空比，将直流电转化为高频率的交流电再提供给变压器进行变压输出的电源。以上图为例，通过控制开关管的占空比，将10V电压降为5V。

在优缺点方面，线性电源输出稳定、纹波小、内部构造简单，而且工作频率一般只有50Hz左右，这也使得变压器、滤波电容的体积偏大，导致线性电源比较笨重。同时，由于线性电源一直处于工作状态，转换效率偏低（转换效率一般在50%~60%），损耗电能会以热量的形式进行释放，这也是我们小时候为什么只玩了一会小霸王游戏机电源适配器就严重发热的原因。

开关电源如何弥补线性电源的体积、重量、发热问题

在电源适配器中，体积、重量占比最大的是变压器，而变压器的体积又与工作频率有着密切的联系。为实现电源适配器的轻量化、小型化，通过提高工作频率，减小变压器体积是一个不错的选择。

在开关电源的电路中，变压器变压前的逆变过程是一个很重要的环节，电源设计工程师在对这部分电路设计时，通常会采用高频的开关管将直流电转化为高频的交流电，为变压器的变压提供电能。要知道，开关管的开关频率可以达到几十甚至几百kHz，是线性电源50Hz的几万甚至几十万倍，以至于开关电源变压器的体积、重量可以变得更小，转换效率更高。

当然了，通过提高工作频率减小变压器体积并不是唯一的选择，从变压器自身着手才能从根源上解决问题。随着技术的不断演进，陆续有不少产商在手机电源适配器中使用平板变压器减少纵向空间的占用。例如，手机厂商OPPO的50W超闪饼干充电器中就采用了这一设计，使得整体体积减小了50%。近日，在由电子发烧友网举办的“第四届模拟半导体大会”中，智融科技也公开展示了一款采用平板变压器设计的手机快充解决方案SW1106。

同时，随着第三代功率半导体技术的不断成熟，电源适配器的发展也开启了“氮气”加速模式，传统开关管正逐渐被频率更高的氮化镓开关管所取代。氮化镓器件基于自身材料电子迁移率高的固有特性，不仅可以实现电源适配器的小型化，与具有等效导通电阻的硅MOSFET相比，氮化镓MOSFET每个开关周期的损耗更低，电能转换效率也就更高。

据相关资料显示，使用氮化镓功率器件的电源适配器转换效率大多能够达到90%以上，甚至有的解决方案可实现98%或更高的转换效率。转换效率的提高，也意味着电能在传输过程中损耗的较少，充电发热问题自然也得到了很好的控制。

写到最后

随着科技的不断进步，虽然当年小霸王游戏机电源适配器体积大、发热严重的问题得到了解决，也弥补了小编不能与雪人兄弟决战到天亮的遗憾，但当年那段每玩一段时间就要拔下电源适配器散热的时光又何尝不是一段特殊的记忆呢。