“高效率开关电源设计与制作”的引言部分 引言 电源的发展历程
1． 电源的百年历史
        在研究高效率开关电源之前,还是应该先看一看电源发展的历史.也许会对电源的将来有一个比较客观的认识. 
       电子线路无论是模拟电路、数字电路、信息电子电路还是电力电子电路,无一例外的需要直流电供电.那么电子线路对电源有哪些要求,应该设计出什么样的电源才能满足时代的要求呢?简而言之要“与时俱进”.电子线路从真空管的问世至今约有100年的历史,伴随而来的就是近100年历史的电源技术. 
       电子线路由真空管电路发展到晶体管电路再到小规模集成电路、直至今天的大规模超大规模集成电路,供电方式也有了很多改变.
2．最初的电源既不需要稳压也不需要严格滤波 
       在真空管统治电子线路的时代,大多数的电子线路并不需要供电电源的十分稳定,那时的电源无非是整流滤波.通常只需要将交流市电经过变压器转换到合适的电压值后,通过电子管(可以是真空管、汞整流管、充气闸流管等)的整流变成脉动直流电,最后经过电容输入式滤波或电感输入式滤波将脉动直流电转换成为需要的平滑直流电.为了携带方便,也可以用电池供电,这时的真空管是专用于电池供电的节电型的,也就是当年的电池式收音机、收发报机以及电台.在那个年代对直流电的理解就是像现在大学电路课程中对直流电的描述那样,似乎直流电所接的负载就像电阻一样,没有什么变化.即使出了问题,电子工程师也只会从“退交联”(换成现在的术语是 “”退耦合,简称 “退耦”)入手加以解决.当退交联电容器的电容量由于电容器的失效而大大减小时,电子线路将出现自激振荡现象,如那个年代所说的收音机所发出的“汽船声”(由于整流滤波电解电容器失效造成寄生振荡时扬声器发出的声音如同汽船发动机发出的声音)等.用现在的话解释就是:因为直流母线的交流阻抗由于电容器的失效而增高,导致了电子线路的输入与输出通过直流母线形成有害的耦合,当满足电路的振荡条件时,电路形成自激振荡.由于直流母线的高频阻抗比较高,因而需要旁路电容器,这也就是电子线路对直流母线的交流阻抗最初的要求.
3．电子线路需要多路电源供电 
       由于真空管构成的电子线路通常有电源变压器,所以可以通过不同的绕组方便的得到所需要的多种不同电压.但是,如果是电池供电的电子线路,则需有要为真空管的灯丝供电电源甲电池和为阳极电流供电的乙电池,甚至还要有为栅极提供负偏置电压的丙电池.那个时代的电池导致了电子线路中电池组就占了非常大的体积.电影“英雄儿女中”的英雄王成所背的电台,实际上至少有一半是电池的重量,至少有三分之一的体积是电池组的体积.可见电子管时代的电子线路的耗电有多大. 
       如果将收音机搬到汽车上就变成汽车收音机,由6V蓄电池供电,所需要的高压阳极电,在当时只能用机械逆变器“振动子”将直流电逆变成交流电,再经变压器将电压提升到200~300V,通过整流变为需要的直流电.这就是最初的逆变技术.这是因为没有其他办法(真空管的最低导通电压少说也有数十伏,远高于蓄电池的电压),只能用这种效率低下、性能差劲的功率变换技术. 
       晶体管问世后,由于晶体管具有功耗低、体积小、价格相对便宜、连接方式灵活等特点,使很多真空管不能实现的功能在电子线路中得以实现,特别是脉冲电路、数字电路.使晶体管微型计算机的运算速度、可靠性、功耗等远优于真空管微型计算机.随着晶体管的应用领域越来越多,晶体管电路对电源的要求也越来越高,出现了独立存在的晶体管稳压电源.同时在很多晶体管电路中也设置了稳压电源.这些稳压电源通常是线性稳压电源.时至今日在很多地方,线形稳压电源还在应用. 
       在需要正负对称电源和需要的电源电压不同时,线性稳压电源就显得无能为力.为了解决多电源供电的需求与单电源的矛盾,就需要DC/DC变换器,也许这就是DC/DC变换器问世的起因.
4．电子线路的体积减小后对电源的要求 
       随着集成电路集成度的不断提高,微型计算机的体积随之不断减小,这时线性稳压电源已不再适应,开关型稳压电源使微型计算机的微型化成为可能,时至今日所有的微机,笔记本电脑的电源适配器都是开关电源的电路结构. 
       彩 {MOD}电视机由于所消耗的功率远大于黑白电视机,在采用线性稳压电源已经无法满足要求,开关电源的另一个重要应用领域就是电视机和显示器. 
       由于没有专用的控制开关电源集成电路,最初(如国外的六七十年代、国内的七十年代和八十年代前半页)的开关电源几乎无例外的采用了劳耶尔自激变换器电路,确实解决了当时的需求.但是这种电路的最大缺点是效率、可靠性低下,成为日后被坚决淘汰的最主要原因. 
       自激式变换器另外一种形式是受到“间歇式振荡器”的启发而产生的振铃式自激变换器,通过电源工程师的不断改进,使之具有了稳压、过电流保护功能,这似乎使得振铃式自激变换器可以一劳永逸的作为开关电源的一种标准设计模式.但是,在实际上这些保护功能还不是十分可靠的,还是会出现因为过电流而损坏开关电源的,也经常出现由于电路中的元件性能的退化而出现不能稳定输出电压的现象.振铃式自激变换器最大的弱点是调试非常麻烦和效率低下,这使得振铃式自激变换器在10W以上的应用领域已经基本上被淘汰,其原因是,在10W以上的应用时振铃式自激变换器的成本已经不比以UC3842为代表的PWM控制芯片构成的他激式变换器以及以TOP Switch为代表的单片开关电源芯片构成的他激式开关电源便宜,而且其可靠性和效率不如后者.由于这种电路在低功率时的成本相对便宜,时至今日在小功率变换器(如手机电池充电器)中还在应用.
5．电源自身损耗的影响 
       在大量应用微型计算机的今天微型计算机电源的效率对节能的影响是非常大的.以一台微型计算机需要提供250W的功率计算,效率为70%的电源自身损耗约为107W,而效率为80%的电源自身损耗则降低到62.5W,两者的功耗差41.5W.如果全国有一亿台微型计算机在同时工作,前者比后者将多消耗掉4150兆瓦,通俗地说就是415万千瓦!可见提高计算机电源的效率是何等重要!因此,美国提出了80Plus计划(电源效率高于80%),即微型计算机电源制造商出售一台,政府补贴5美元,以补偿因电源效率的提高而造成的成本增加部分.
与微型计算机相似,电视机同样存在这个问题,如果能将电视机的电源效率提高5~10个百分点,则每台电视机将减少约10~20W的功耗,数亿台电视机所得到的节能效果与微型计算机电源效率的提高相似. 
       不仅在微型计算机和电视机工作时电源效率的提高意义重大,而且在待机状态下功耗的降低意义同样重大,过去的电视机的待机功耗大约在15W左右,现在我国电视机待机功耗标准为:低于3W,两者的差值12W,以两亿台电视机计算,仅待机损耗一项就可以降低电力损耗240万千瓦! 
       与此相似,微型计算机、显示器、DVD等家用电器和办公自动化设备的待机损耗的降低都是极其重要的. 
       提高电源效率的第二个因素是电子设备的体积不断的减小要求电源的体积随之不断的减小,电源体积减小所带来的问题是散热能力的降低,这就要求电源的损耗要降低,在同样输出功率条件下,只有提高电源效率是唯一的解决方案. 
       如笔记本电脑电源适配器,要有严格的电气安全要求,这样就不得不采用散热性能很差的工程塑料,同时还要有体积的限制.在这种工作条件下电源适配器自身损耗要降低到5~10W,对于输出功率达60甚至是90W的电源适配器就必须要有90%以上的电源效率
6．为什么要提高–再提高电源效率 
       通信与网络在最初的时候,所采用的电源是一个机柜设置一个电源,这种供电方式最大的问题是,一旦电源出故障,整个机柜将完全瘫痪.因此,后来发展成为机柜的一层设置一个电源,这使得电源故障虽不能造成一个机柜的瘫痪,但是可以造成机柜的一层的瘫痪.不仅在可靠性方面,电源为一个机柜供电与为机柜的一层供电对于电路板的电子线路会由于电源引线电阻和寄生电感的作用,供电质量将是非常差.后来将供电方式改为每一块电路板上设置一个电源,可靠性得到进一步的提高,同时也解决了因供电线路过长所导致供电质量变差的现象.随着电路板上的元件密度的增加和电路的功率与频率的提高,即使采用每块电路板用一个电源供电的供电质量也将不能满足要求时,负载点电源应运而生.考虑效率与器件耐压的因素,负载点电源的输入电压通常选择在12V左右,如果用48V电压等级的直流电为其供电,就还需要一个DC/DC电源将48V电压等级转换为12V电压等级,这就是DC/DC模块电源的应用领域之一,由于负载点电源具有稳压功能,作为电压转换功能的DC/DC电源模块的稳压功能实际上已经失去意义.在实际应用中,具有稳压功能的DC/DC变换器的效率低于非稳压的DC/DC变换器,因此,直流母线变换器得以问世.直流母线变换器的效率通常高于95%,最高可达97%!效率的提高进一步的减小了电源模块的体积,改善了散热条件. 
       电视机是应用最广泛的电气装置,电视机对电源的要求非常高,最主要的是非常低的电磁干扰,否则会不同程度的影响图像质量,经常可以看到当电视信号比较弱时,低频道的电视图像经常会出现规律的一条一条的斜条白点,这就是电视机电源的电磁干扰所致.在电视机电源性能低下的时期,电视机电源不得不与行频同步,将电磁干扰最强的区段出现在没有图像的行逆程中被消隐掉,所付出的代价就是电源频率仅仅达到15.625kHz,远低于一般开关电源的工作频率,电感、变压器的体积均很大.随着电视机电源性能的提高,电视机电源的频率不再与行频同步,但是只能采用电磁干扰低的反激式开关电源,开始是电磁干扰最低的自激型反激式开关电源.与他激式反激式开关电源相比,自激型反激式开关电源的可靠性低,效率低.所以80~90年代的电视机最常见的故障就是电源故障.后来出现的他激型反激式开关电源的可靠性得到大大的提高,效率也有所提高.但是,打开电视机的外壳,所看到其中的电源板上的若干个为减小电磁干扰而设置的大功率水泥电阻就会想象到这个电源的效率是不高的,可能80%都不到!上世纪90年代末,电视机电源开始采用准谐振反激式开关电源,电源效率可以达到85%以上.随着电视的尺寸越来越大,所需要的电源功率也越来越高,而电视机的厚度却很薄(如平板电视机).反激式开关电源已经不能很好的满足高功率的需求,针对电视机的特殊性,低电磁干扰的半桥谐振式开关电源问世,使得电视机开关电源的效率达到甚至超过90%!体积大大减小,节能效果非常明显. 
       电源的待机损耗问题随着电力电子器件、控制集成电路和控制方式的进步,使待机功耗从15~20W降低到3W甚至1W以下.如果现在买到的电视机的待机损耗还是5~15W,那一定是数年前的产品了,而且是应该属于淘汰的商品了,这无疑是被商家骗了. 
       现在国外的商品电源,有的DC/DC变换器的最高效率可达97%,具有PFC功能的开关电源在最不利的状态下仍能达到91%的高效率,微机用ATX电源的效率超过了80%.由于电源本身的损耗已经非常低,在有些开关电源中,已经看不到散热器.从现有技术看,如果不计成本,采用各种降低损耗的方法,电脑的ATX电源的效率将超过90%
7．如何进一步降低开关电源的损耗? 
       那么如何降低开关电源的功耗,提高效率呢?要想提高开关电源的效率首先要清楚开关电源中都有哪些损耗,哪些损耗是可以降低的,具体内容详见本书的第一章相关内容.
开关电源的损耗大致为:输入整流器损耗、开关损耗和缓冲电路的损耗、导通损耗、控制、检测驱动、保护电路损耗、变压器和电感的损耗、滤波电容器的损耗、多级电源变换的损耗、不合理控制方式的损耗、线路损耗、缓冲电路的无损耗.除输入整流器的损耗基本上是不能降低,不在提高效率的各种措施中以外,其他的损耗均有可能设法降低. 
       提高开关电源效率的发展过程大致为:利用软开关方法降低开关管的开关损耗、采用同步整流器降低低压输出的整流器导通损耗、采用低功耗控制集成电路芯片降低控制电路损耗采用无附加电路的零电压/零电流开关,消除软开关的附加电路损耗、采用零电压/零电流开关同步整流器降低同步整流器的开关损耗和栅极驱动损耗、采用跳周期控制方式降低轻载和待机损耗. 
       所采用的方法大致有:无源无损缓冲电路、同步整流器、低功耗控制芯片、全桥移相零电压开关、有源箝位、各种谐振型变换器、跳周期、零电压与零电流开关、直流母线变换器、采用合理的控制方式等,具体内容详见本书的第二章的相关内容. 
       众所周知,像TL494、UC3842等开关电源控制芯片已经有20多年的应用历史了,其特点就是容易理解,是初学者入门时首先要学的内容,并且是最经典的PWM控制方式,已经被电源设计工程师普遍接受、设计应用起来快捷方便、成本低廉.如果没有效率提高的需求,这些芯片、控制方式与设计方法还可以持续下去.这就使常规形式的开关电源,在各种规格的电源中,尽管需要的参数不同,但是所用的控制芯片与控制原理相同,因此,改动则是微小的、不涉及本质.这样的开关电源效率很难有质的飞跃.最主要的原因是主回路的电路拓扑形式与控制方式的制约,因此,要想设计出高效率的开关电源就应该更新设计观念.如电路拓扑观念的更新、控制方式的更新、原有电路拓扑所隐含的特性的挖掘、新器件的应用;除此之外,经典控制芯片的巧妙应用也是具有很高的应用价值;当然,如果采用新型控制芯片,并且合理应用,将会使开关电源的效率大大提高.这就是本书的第三章要解决的内容,通过作者的思路,读者可以看到即使是采用常规控制芯片,通过控制方式、电路拓扑的适当改进,都可以使常规开关电源的效率得到明显的提高. 
       欲大幅度提高开关电源的效率,仅仅在常规开关电源芯片基础上改进将是很难的,需要采用先进的控制芯片和电路拓扑,如反激式开关电源采用准谐振工作模式,桥式变换器采用移相零电压开关的控制模式等高效率电源原理与设计.相关的原理与设计将在第四章详尽叙述. 
       电脑的大量应用,使为电脑配套的开关电源大量应用,由于电脑的价格制约,电脑电源的价格低于其他开关电源的价格,因此,提高效率的过程将是艰难的.目前国内的电脑用开关电源的效率大多在70%左右,如能将其效率提高到80%以上,就宏观而言,其意义将是非常大的.电脑用开关电源的效率难以提高最主要的因素是5V、3.3V是电脑用开关电源的主要输出功率,而采用肖特基整流器的0.4~0.6V的导通电压降所产生的损耗将占输入功率的15~20%,因此,只有降低这部分损耗才能进一步提高电脑电源的效率. 
       大屏幕平板电视机要求开关电源提供比较大的输出功率,又需要有非常小的体积以及非常高的效率,同时电路的特点还需要开关电源要具有低电磁干扰的性能.从效率角度,反激式准谐振开关电源的效率已经不能满足小体积中等输出功率的要求;而正激型(如单/双管正激型、各种桥式变换器)由于存在比较大的电磁干扰,因而,也不能应用.可以满足要求的解决方案是具有零电压开关的桥式谐振变换器 
       现今的开关电源多数都需要具有功率因数校正功能.通常需要在开关电源与输入整流器之间加一级功率变换器,将整流器与滤波电容器隔离开.所付出的代价就是由于增加一级变换器,将导致整个电路的复杂性和成本提高.为了解决这个问题,电源科技工作者做了大量的工作,取得了可以应用的设计方案.其主要代表就是:Infineon公司采用ICE1QS01电源芯片的电流泵工作模式的单开关的具有PFC功能的开关电源的解决方案和对输出电压纹波要求不高的笔记本电脑电源适配器的解决方案.上述电路的原理与设计将在第六章详尽叙述. 
       由于网络与通信的飞速发展,DC/DC变换器成为开关电源的一个重要分支,如何设计好一个DC/DC变换器可以代表所具备的电源设计水平.从电气隔离角度,DC/DC变换器可以分为隔离型变换器与非隔离型变换器;从是否稳压角度也可以将DC/DC变换器分为稳压型DC/DC变换器和非稳压的直流母线变换器(也可以称为中间母线变换器).在DC/DC变换器中,直流母线变换器由于是自然零电压开关,因而,效率是最高的,可以达到97%!通常用于不需要严格稳压要求的应用场合.关于这些内容,参见本书的第七章 DC /DC变换器设计.
通过一些特殊设计方案,可以使电源在特殊的应用中获得更高的效率、更好的电路性能以及更低廉的成本.通过对变形CUK变换器的分析与演化过程,我们可以得到比常规的降压型变换器性能还优异、效率更高的变换器电路结构.通过变形CUK变换器与自然零电压开关变换器组合可以获得性能优良的开关电源,本书在第八章中列举了80年代初期的TEK2235示波器电源的设计实例,时至今日这种设计思路仍具有指导意义. 
       变形CUK变换器也可以实现功率因数校正,由于所获得到的输出电压低于一般的整流滤波输出电压,并且具有过电流/短路保护功能,可以使开关电源部分设计得到简化.
通过将降压型变换器与自然零电压开关的隔离变换器组合,由于发挥了各自有点,所以可以得到非常高的效率,在近几年的DC/DC电源模块中这种设计思路开始得到应用,效率比常规设计方法至少提高3~5%. 
       由于功率因数校正环节的输出电压相对是稳定的,后级的开关电源的稳压范围可以变得很窄就可以满足要求.这样可以使全桥移相零电压开关电路结构中的初级侧电感大大减小,甚至可以寄生到变压器中.有利于电源效率的提高