第六讲：开关电源新技术这里所说的新技术，是指最近20年内发展起来的技术内容,涉及开关电源的效率、动态响应、功率因数等概念.1．1、软开关技术开关管的损耗一直是开关变换器设计中的一个核心问题。

要减小开关电源的体积，降低输出电压纹波，提高开关频率是最直接有效的方法，但开关管的损耗正是限制开关频率提高的最大原因，开关管在导通或关断状态下的损耗（称为通态损耗和断态损耗）是比较小的，但在导通和关断动作过程中的损耗（称为导通损耗和关断损耗，即开关损耗）非常大,因为在这时开关管要同时承受高电压和大电流。

开关频率越高,开关损耗就越严重。

要降低开关损耗就必须从控制开关管的开关过程着手，使开关管上不能同时出现高电压和大电流。

传统的缓冲器（Snubber）电路（常用的电路，主要是保证开关管安全工作）,能减小一些开关损耗，但程度非常有限而且又引入了缓冲电路的损耗.给出一个典型的缓冲电路的形式（图3）,图中虚线框内部分为缓冲器电路。

谐振（Resonant）的方法是能够大幅度降低开关损耗的方法。

谐振概念的产生比较早，广泛用于机械工业的中频感应加热炉其实就是一个利用负载产生谐振的例子。

但谐振的方法用于直流变换器则是在上世纪80年代才有较大的发展，首先建立起了零电压开关ZVS（ZeroVoltageSwitch)和零电流开关ZCS（ZeroCurrentSwitch）的概念，其基本思路是使开关管的电压或电流与外部谐振回路产生谐振，从而使开关管可以在零电压状态导通或是在零电流状态下关断。

这种方法的困难在于保证开关管的零压或零流条件（不同输电压和不同负载条件入），为解决这一问题发展了准谐振变换器QRC(QuasiResonantConverter)的技术，也有ZVS—QRC和ZCS-QRC两类。

谐振方式的变换器最突出的优点就是极大地降低了开关损耗,使变换器的工作频率提高到了MHz量级的水平，适合在一些对体积和重量要求极为严格的场合(比如飞行器）中使用。

谐振技术另一个突出的应用是移相全桥(PhaseShiftFull—Bridge)的线路，该线路中,谐振概念与移相PWM控制的方法巧妙结合，消除了谐振方式固有的缺陷，因而在通信等中大功率场合被广泛采用.除此之外，谐振方式则因器件电压电流应力过大、难以保证零开关条件、难以与PWM方式配合等原因不能得到普遍应用。

上世纪90年代出现的零电压转换ZVT（ZeroVoltageTransition）和零电流转换ZCT(ZeroCurrentTransition)技术是解决ZVS和ZCS缺陷的较好的方案。

该方法是在开关管线路中增加辅助开关管和有关线路，在主开关管开关动作前，通过控制辅助管的开关来为主开关管创造零电压或零电流的条件。

这样不仅非常便于与PWM技术相配合，而且消除了零开关条件对输入电压、负载等的依赖，因此是一种适于各类开关线路和场合的方法。

缺点是线路较为复杂，成本高。

目前尚较少使用。

1．2、同步整流技术同步整流SR（SynchronousRectification）技术的起因与目的很简单，就是降低输出整流管的损耗。

这对于低电压输出的变换器非常有意义。

通常在5V或更低电压输出的变换器中,输出整流管的损耗会是变换器损耗中的主要成分.与开关管不同,整流管的损耗主要是通态损耗。

所以要降低整流损耗只能降低整流管上的导通压降，一般快恢复二极管FRD（FastRecoveryDiode）的工作压降有1V左右,肖特基势垒二极管SBD（SchottkyBarrierDiode）约有0.6V,对于低电压的输出，整流压降在输出电压中的比例很高，大大降低了变换器的效率(图4).随着MOSFET （MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistor金属氧化物半导体场效应晶体管）工艺的不断进步，MOSFET的通态电阻Rds（on）不断降低，同步整流的概念就被提出来，即使用MOSFET 作开关来替代整流管。

因为MOSFET需要一个与开关管同步的控制信号来控制开关状态才能实现整流的功能，因此这种方式被称为同步整流.目前低压MOSFET的通态电阻已经低于10mΩ，已经比SBD 有很多的优势(图5)。

1．3、多相变换器技术多相变换器(M ultiphaseConverter）的概念是大约5年前提出的，针对的应用场合就是微处理器类的负载，因为该类负载对电源的动态响应、纹波的要求非常严格。

要满足这样的要求，电源需要工作在非常高的频率,但开关器件的开关速度和损耗成为难以解决的问题。

这种情况下，多相变换器的概念应运而生，即采用多个变换器并联的拓扑结构，在开关信号上作统一控制，实现几个变换器在一个完整周期内轮流交替运行，这样，开关损耗被几个变换器分担,而开关频率则是几个变换器的叠加。

1．4、有源功率因数校正技术功率因数（PowerFactor）的概念最早起源于交流供电的年代,远比开关电源的概念更早。

传统的功率因数概念是指交流电器的输入电压与输入电流相位差角的余弦.常用cosΦ来表示。

对于整流输入之类非线性的负载，传统的功率因数概念已经不再适用,因此导出功率因数最通用的定义为有功功率与视在功率的比值。

即PF=P/(Vrms×Irms）或PF=Watts/V·A。

式中P表示输入有功功率，Vrms，Irms表示负载电压与电流的均方根值（有效值）。

如果一个电路输入电压和输入电流的比值是一个常数，那么该电路即为纯阻性，其功率因数为1.如果电压—电流比不能保持恒定，则该电路的输入端必存在相移或谐波失真，或二者并存，这都会导致功率因数的降低。

低功率因数电器的使用加重了电网的负担，而且非线性的电器还会产生大量谐波电流串入电网，引起电网电压波形畸变、地线过负荷、干扰其它电器等一系列危害，被称为“电力污染"，已经引起了世界各国的重视.许多国家和地区已经颁布或实施对谐波电流的限制法规。

有源功率因数校正APFC（ActivePowerFactorCorrection）技术利用开关变换的方法，通过控制输入电流跟随输入电压的变化而变化来使得一个电源从它的输入端来看呈纯阻性，实现提高功率因数、抑制谐波电流的目的。

APFC最广泛使用的线路拓扑是Boost拓扑（图6)，采用有源功率因数的方法，可使电源的功率因数轻易提高到0.98以上.2、PC电源使用的开关电源技术及其特色PC电源也采用了开关电源的技术，大概可以分成两部分来描述。

2．1整机集中式的AC/DC电源也就是连接交流输入线的电源部分,单相交流输入直流多路（+5V、-5V、+12V、—12V、+3.3V 及+5Vsb）输出。

通常是由主电源和辅助电源两个电源构成。

辅助电源部分采用单端反激的电路拓扑,输出功率在10W左右，早期的ATX电源中多采用PFM方式的RCC线路，成本较低,近来因为功率的上升有逐渐转为PWM的趋势(多为PWM+MOSFET的集成器件为核心）。

单端反激的拓扑使该线路结构简单，体积小，效率较高。

主电源部分长期以来就存在两种常用的拓扑结构，单端正激式和半桥式。

单端正激式一般采用电流模式（CurrentMode）控制的PWM芯片（典型的是UC3842）和一只功率MOSFET构成初级回路，振荡频率多在60-100KHz,开关管采用直接驱动的方式。

半桥式一般采用电压模式（VoltageMode）控制的PWM芯片（典型的是TL494）和两只功率三级管构成初级回路，振荡频率多在60-80KHz,开关管的驱动则采用隔离的比例驱动方式。

次级整流部分都采用二极管(12V使用快恢复管,5V和3.3V 使用肖特基管)作为整流器件。

对于+3.3V的处理，一般采用磁放大器（MagneticAmplifier)的稳压技术（前期有少数产品采用MOSFET线性稳压，现已非常少见），以取得较高的稳压精度和效率。

总体上看，PC的整机电源部分没有采用高性能的新技术(比如谐振、同步整流等），其中最重要的原因是成本的概念,在使用普通技术就可以满足使用需求的条件下，高成本的新技术就没有应用的优势。

至于PFC方面，目前在已经强制实施了谐波电流限制的地区都开始应用（无源PFC或APFC），这显然是今后必将会得到应用的一个趋势。

2．2、主板上的DC/DC变换器即为主板上的CPU、RAM、Chipset等芯片直接供电的变换器部分。

因为这类负载对电源的要求很严格，所以这些变换器都采用了一些高性能的技术。

以最典型的为CPU供电的电压调节组件VRM （VoltageRegulatorModule）来看，就是一个多相Buck变换器的例子，通常采用四相同步整流变换器作为基本拓扑,这使得变换器的频率达到1MHz,从而使电源的动态响应非常快，纹波极低,而使用MOSFET构成的同步整流方式使得变换器能够在输出电压低于2V的情况下，仍能获得近90％的转换效率。

3、IC的发展对电源的影响电源业和PC业都依赖于IC业.IC业为PC业提供高性能的器件使之开发最新的和最好的PC，电源业则按IC工业的电压标准为其提供直流电源。

新一代IC的开发和制造工艺将直接影响PC及其电源的发展.我们不妨先看一下IC未来发展的趋势，表中描绘了直到2014年的IC特征。

其中提出了更低的工作电压、更大的功率和更高的时钟频率，IC供电电压的降低必然对电源的设计造成巨大影响,主要有两个问题。

电源效率和线压降,电源的效率会直接影响电源本身的设计,而线压降则会影响整个电源系统的设计。

3．1、电源效率欧姆定律表明，功率是电压与电流的乘积，即W=V I。

当电压由5V降为3.3V 或是更低时，要传递同样的功率，电流就会增大。

低压、大电流的情况下,电源内部器件的压降会在输出电压中占有更大的比例。

高的压降和大电流使损耗在电源内部的功率比例增加，从而降低了电源的效率。

3．2、线压降传输线存在一定的内部欧姆阻抗，回想一下欧姆定律，功率也是电压平方被电阻除的商，即W=V2/R.很明显,提高传输电压就可以在电源线上传递更大的功率。

当IC的供电电压在3.3V—5V或是更高时，系统使用集中式的一个电源是比较划算的.IC的电压进一步降低，电流进一步增加且动态也在增大，集中式的电源已经不能满足这些新的要求，这使分布式电源成为一种可行的解决方案。

这种系统的典型结构是输入的交流电转换为一个直流电压,然后就分配到每一块电路板上去，由每块线路板上的DC/DC变换器将其变为各自所需的电压.根据这种设想,不难推断出未来PC电源总线的结构4、未来的电源结构未来的计算机电源将会与现在的非常不同,现在的电源将会被一个+12V单路输出的电源所取代（如下图)。

之所以会这样当然是因为系统的要求，而不是出于对分布式电源结构的兴趣。