开关电源设计中整流、PFC及隔离技术解析

什么是电源?电源是将来自电源的能量转换成为负载供电所需的电压值，比如电机或电子设备。电源主要有两种设计：线性电源和开关电源。

线性电源：线性电源设计使用变压器降低电压。然后将电压整流并转换为直流电压，然后对其进行滤波以提高波形质量。线性电源使用线性调节器在输出端保持恒定的电压。这些线性调节器以热量的形式消散额外的能量。

开关电源：开关电源设计是一种较新的方法，旨在解决线性电源的诸多问题，包括变压器尺寸和电压调节。在开关电源设计中，输入电压不再降低，而是在输入端进行整流和滤波。然后电压通过斩波器，再将其转换成高频脉冲串。在电压达到输出之前，它会被再次过滤和整流。

开关电源是如何工作的?多年来，线性AC/DC电源已经成为主流，将电网中的交流电源转换为运行家用电器或照明设备的直流电压。大功率应用对小型电源的需求，意味着线性电源已主要用于特定的工业和医疗用途，在这些领域由于其低噪声而仍然需要它们。但由于开关电源体积更小，效率更高，而且能够处理高功率，所以已经取代了开关电源。图1介绍了开关电源中从交流(AC)到直流(DC)的一般过程。

图1：隔离开关式AC/DC电源

输入整流是将交流电压转换为直流电压的第一步。人们普遍认为直流电压是一条笔直的、不动摇的恒压线，就像从电池里出来的那种。然而，定义直流电的是电荷的单向流动。这意味着电压流向相同，但不一定是恒定的。正弦波是交流电(AC)最典型的波形，前半个周期为正，其余周期为负。如果反向或消除负半周期，则电流停止交替，变成直流电。这可以通过一个叫做矫正的过程来实现。整流可以通过使用无源半桥整流器来实现，用二极管消除正弦波的负半部分(见图2)。二极管允许电流在正半波期间流过，但当电流反向流动时，二极管会阻断电流方向。

图2：半桥整流器

整流后，产生的正弦波平均功率较低，不能有效地为设备供电。一个更有效的方法是改变负半波的极性并使其变成正电压。这种方法被称为全波整流，它需要四个二极管配置成一个电桥(见图3)。无论输入电压如何，这种配置都能保持稳定的电流流向极性。

图3：全桥整流器

全整流波的平均输出电压比半桥整流器的高，但离为电子设备供电所需的恒定直流波形仍有很大差距。虽然这是一个直流波，但由于电压波形，供电是低效的，因为电压波的值变化非常快和频繁。这种周期性的直流电压变化被称为纹波。减少或消除纹波是一个有效的电源供应的关键。减少纹波最简单和最常用的方法是在整流器输出端使用一个大电容器，称为储能电容器或平滑滤波器(见图4)。电容器在电压峰值时存储电压，然后向负载提供电流，直到其电压小于现在上升的整流电压波。得到的波形更接近所需的形状，可以认为是没有交流分量的直流电压。这个最终的电压波形现在可以用来给直流电供电设备。

图4：带平滑滤波器的全桥整流器

无源整流使用半导体二极管作为不受控制的开关，是整流交流波最简单的方法，但不是最有效的方法。二极管是相对有效的开关;它们可以以最小的功率损耗快速打开和关闭。半导体二极管的唯一问题是它们的正向偏置电压降为0.5V到1V，这会降低效率。有源整流用可控开关代替二极管，如MOSFET或BJT晶体管(见图5)。这种方法的优点有两个：首先，基于晶体管的整流器消除了与半导体二极管相关的0.5V到1V的固定电压降，因为它们的电阻可以很小，因此电压降也很小。第二，晶体管是可控开关，这意味着开关频率可以控制，从而得到优化。缺点是，有源整流器需要更复杂的控制电路来达到其目的，这就需要额外的元件，从而使它们变得更贵。

图5：全桥有源整流器

功率因数校正(PFC)开关电源设计中的第二个阶段是功率因数校正(PFC)。功率因数校正电路与交流电源到直流电源的实际转换关系不大，但却是大多数商用电源的关键部件。

图6：整流器输出的电压和电流波形

如果你观察整流器电容器的电流波形(见图6)，你会看到充电电流在很短的时间内流过电容器，特别是电容器输入电压大于电容器电荷到整流信号的峰值。这会在电容器中产生一系列短电流尖峰，因此不仅对电源造成严重问题，而且由于这些电流尖峰注入电网的谐波量很大，对整个电网都是一个重大问题。谐波会产生失真，可能会影响连接到电网的其他电源和设备。在开关电源设计中，功率因数校正电路的目标是通过滤除这些谐波来最小化影响。为此，有两种选择：有源和无源功率因数校正。

无源PFC电路是由无源低通滤波器组成的，它试图消除高次谐波。然而，电源，特别是在大功率应用中，仅仅使用无源PFC无法满足谐波噪声的国际规定，必须采用有源功率校正。

有源PFC改变电流波形，使之跟随电压变化。谐波被移到更高的频率，使其更容易滤除。在这种情况下，最广泛使用的电路是升压变换器，也称为升压变换器。

隔离：隔离开关电源与非隔离开关电源。无论功率因数校正电路是否存在，功率转换的最后一步是将整流后的直流电压逐步降低到适合预期应用的幅度。因为输入的交流波形已经在输入端整流，所以直流电压输出将会很高：如果没有功率因数校正，整流器的输出直流电压将为320V左右。如果有有源功率因数校正电路，升压变换器的输出将是稳定的400V或更高。这两种情况都是极其危险的，对于通常需要显著降低电压的大多数应用来说毫无用处。表1显示了在选择正确的隔离拓扑时应该考虑的几个转换器和应用方面。

在选择使用哪种降压方法时，主要考虑的是安全性。电源在输入端与交流电源相连，这意味着，如果输出端有电流泄漏，可能会严重伤害，并损坏任何负载设备。安全隔离可以通过磁隔离输入和输出电路来实现。隔离AC/DC电源中使用最广泛的电路是反激变换器和谐振LLC变换器，因为它们包括电流隔离或磁隔离(见图7)。

图7：反激变换器(左)和LLC谐振变换器(右)

使用变压器意味着信号不能是平坦的直流电压。相反，为了通过感应耦合将能量从变压器的一侧传输到另一侧，必须存在电压变化，从而改变电流。因此，反激式和LLC变换器都将输入直流电压“斩波”成方波，方波可以通过变压器降压。然后输出波形必须在输出前再次校正。

反激变换器主要用于低功耗应用。反激变换器是一种隔离的buck-boost变换器，这意味着输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压，这取决于变压器在一次绕组和二次绕组之间的匝数比。反激变换器的工作原理与升压变换器非常相似。当开关闭合时，初级线圈由输入端充电，产生磁场。当开关断开时，初级电感器中的电荷转移到次级绕组，次级绕组向电路注入电流，为负载供电。反激式变换器相对容易设计，并且比其他变换器需要更少的元件，但是效率不高，因为强制晶体管任意打开和关闭的硬开关会造成很大的损耗(见图8)。特别是在大功率应用中，这对晶体管的生命周期非常不利，并产生显著的功率损耗，这就是为什么反激变换器更适合低功率应用，通常高达100W。

谐振LLC转换器在大功率应用中更为常用。这些电路也通过变压器进行磁隔离。LLC变换器是基于谐振原理，即当它与滤波器的固有频率相匹配时，对某一频率的放大。在这种情况下，LLC转换器的谐振频率由串联的电感器和电容器(LC滤波器)和变压器初级电感器(L)的附加效应而定，因此命名LLC转换器。LLC谐振变换器是大功率应用的首选，因为它们可以产生零电流开关，也称为软开关(见图8)。这种开关方法在电路中的电流接近零时打开和关闭开关，最大限度地减少晶体管的开关损耗，从而减少电磁干扰，提高效率。不幸的是，这种性能的提高是有代价的：很难设计一个LLC谐振变换器，它可以实现大范围负载的软开关。为此，MPS开发了一种特殊的LLC设计工具，以确保转换器在正确的谐振状态下工作，以实现最佳开关效率。

图8：硬开关(左)与软开关(右)损耗

在本文的前面，我们讨论了为什么AC/DC电源的限制之一是输入变压器的尺寸和重量，由于工作频率较低(50Hz)，为了避免饱和，需要使用大电感器和磁芯。在开关电源中，电压的振荡频率要大得多(至少在20kHz以上)。这意味着降压变压器可以更小，因为高频信号在线性变压器中产生较少的磁损耗。输入变压器的尺寸减小使得系统小型化。有些直流设备不需要变压器提供的隔离。

编辑：hfy