開關(guān)電源因其體積小、重量輕和效率高而在各種電子信息設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。近來，伴隨著人們對開關(guān)電源要求的進(jìn)一步升級，低電壓大電流轉(zhuǎn)換器的高效化以及響應(yīng)的高速化成為了有關(guān)廠商和研究機(jī)構(gòu)的熱門課題。另外，電子信息設(shè)備用量的激增還使得電磁干擾（EMI）問題日益突出，而開關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生的浪涌和噪聲則是開關(guān)電源的固有缺陷，為此人們將開關(guān)電源的低功耗化、小型化和低噪聲化作為今后的三大重點(diǎn)研究目標(biāo)。

舉個(gè)例子，如果功耗增加，就會(huì)導(dǎo)致元件溫升的增加，這不僅會(huì)降低電源的可靠性，還因?yàn)樾枰鲈O(shè)散熱器而不利于實(shí)現(xiàn)小型化。由此可見低功耗化與小型化是密切相關(guān)的，所以在研究時(shí)不能割裂。而且，來自業(yè)界的低生產(chǎn)成本要求也是必須盡力滿足的。本文將概要介紹幾種旨在實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的低功耗化、低噪聲化和小型化的最新技術(shù)。

低功耗化技術(shù)





如圖1所示，近年來，電子設(shè)備所采用的LSI的驅(qū)動(dòng)電壓正在逐漸下降，而消耗電流卻因?yàn)樵O(shè)備功能的多功能化增大了許多，隨著轉(zhuǎn)換器的低電壓大電流化，以半導(dǎo)體元件為首，變壓器、配線等的導(dǎo)通損耗變得愈發(fā)明顯，往往很難維持高效率，為此人們做了大量的研究工作。例如，在把通信領(lǐng)域中常用的48V輸入電壓轉(zhuǎn)換成LSI所用的1V低電壓時(shí)，以往的降壓型轉(zhuǎn)換器需要將接通時(shí)間比（TimeRatio）設(shè)定在1/40以下。在如此短的時(shí)間里流經(jīng)開關(guān)元件的巨大脈沖電流是導(dǎo)致效率下降的主要原因。

但是，在圖2所示的采用抽頭電感器（TapInductor）的降壓型轉(zhuǎn)換器中，即使不采用非常小的時(shí)間比也能夠獲得很大的降壓比。雖然當(dāng)抽頭電感器的繞組之間存在漏電感時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的浪涌電壓，但由于采用了有源鉗位（ActiveClamp）電路，故使得浪涌電壓受到抑制。


另外，如圖3所示，在采用絕緣變壓器的場合，研究人員還提出了將有源鉗位電路嵌入推挽式轉(zhuǎn)換器中的方案，可在采用48V輸入和1.2V/70A輸出的條件下實(shí)現(xiàn)高達(dá)91%的效率。上面講到的幾種電路方式基本上都是一段式結(jié)構(gòu)，最近，出于進(jìn)一步提高效率的考慮，人們正在加緊研發(fā)兩段式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。就普通的轉(zhuǎn)換器而言，采用兩段式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致效率下降是人所共知的常識(shí)，然而，在低電壓大電流轉(zhuǎn)換器中，對輸出進(jìn)行同步整流是很普遍的做法，因此，如何實(shí)現(xiàn)同步整流操作的高效化便成為了關(guān)鍵所在。

圖4所示即為降壓型轉(zhuǎn)換器與半橋式轉(zhuǎn)換器級聯(lián)而成的兩段式轉(zhuǎn)換器。電壓控制由第一段的降壓型轉(zhuǎn)換器來完成，第二段的半橋式轉(zhuǎn)換器則以50%的固定時(shí)間比來工作。因此，通常能夠以最合適的條件來驅(qū)動(dòng)第二段的轉(zhuǎn)換器的同步整流開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)總體效率的提升。日本的研究人員做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是：當(dāng)輸入電壓為36～72V、輸出電壓為1.5V/20A且開關(guān)頻率為150kHz的工作條件下，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了87%左右；而當(dāng)輸入電壓為36～75V、輸出電壓為3.3V/60A且開關(guān)頻率為170kHz的工作條件下，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)95%，從而進(jìn)一步降低了功耗。這種兩段式結(jié)構(gòu)最近已被DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊大量采用。

低噪聲化技術(shù)



伴隨著開關(guān)電源開關(guān)操作時(shí)急劇的電壓和電流變化而產(chǎn)生的浪涌和噪聲將作為傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲傳遞至設(shè)備的外部，從而引發(fā)電磁干擾（EMI）問題。傳導(dǎo)噪聲（特別是共模噪聲）中也時(shí)常會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)路電流，這是輻射噪聲的起因。近幾年來，ZVS（零電壓開關(guān)）和ZCS（零電流開關(guān)）等軟開關(guān)（SoftSwitching）技術(shù)作為抑制浪涌發(fā)生的常規(guī)方法已經(jīng)廣為人知。不過，人們在此基礎(chǔ)上又提出了多種能夠兼顧低功耗和低噪聲目標(biāo)的電路方案。圖5（a）示出了采用有源鉗位電路的傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)換器電路。鉗位開關(guān)Q2需要在高壓側(cè)進(jìn)行絕緣驅(qū)動(dòng)，這里通常采用的是脈沖變壓器。然而，如圖5（b）所示，研究人員最近又提出了一種共源極型有源鉗位電路方案，它將兩個(gè)MOSFET開關(guān)的源極端子共接，從而簡化了柵極驅(qū)動(dòng)。不僅如此，這種共源極型電路方式還有望降低噪聲，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，其噪聲電平較之傳統(tǒng)型電路下降了約30dB。

了弄清其降噪原因，讓我們來設(shè)想一下共源極型有源鉗位電路中的噪聲電流通路（見圖6）。如圖所示，雖然各MOSFET開關(guān)與外殼之間存在著通過散熱器等而形成的寄生電容C4和C5，但如果將變壓器初級繞組的極性考慮在內(nèi)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)Q1漏極的電位與Q2漏極的電位只產(chǎn)生等量的逆向變化。因此，當(dāng)電壓在開關(guān)操作時(shí)發(fā)生變化的時(shí)候，流經(jīng)C4和C5的電流將會(huì)是反向的，從而相互抵消。圖6中，在Q1關(guān)斷時(shí)通過寄生電容C5產(chǎn)生的共模噪聲電流經(jīng)由寄生電容C4而被封閉于電路內(nèi)部，這樣便能夠大幅度地減小流經(jīng)輸入電源側(cè)的共模噪聲電流。

另一方面，由于擔(dān)心該封閉噪聲電流會(huì)引發(fā)輻射噪聲，因此應(yīng)將其封閉在預(yù)測的通路中。而且，對于噪聲頻率也應(yīng)該借助等效電路通過解析法來加以確認(rèn)。由該共模噪聲電流所引起的輻射噪聲與電流環(huán)路的面積成正比，故需盡可能地減小上述電流環(huán)路的面積。

小型化技術(shù)

提高開關(guān)頻率是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源小型化、輕量化的有效措施，從1970年到1980年這10年間，開關(guān)電源的開關(guān)頻率提高了100倍，而尺寸縮小了10倍。另外，變壓器和電感器等磁性元件的集成也是實(shí)現(xiàn)小型化的途徑之一。

最近，人們又開始嘗試一種開關(guān)電源小型化的新方法，即采用壓電變壓器來取代傳統(tǒng)的電磁變壓器。壓電變壓器具有外形扁薄、結(jié)構(gòu)簡單、易于絕緣和無磁性噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，適合于液晶背光源用逆變器的扁平壓電變壓器業(yè)已實(shí)用化，有關(guān)其在DC/DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的實(shí)用化研究也在進(jìn)行之中，這里我們以AC適配器所采用的壓電變壓器轉(zhuǎn)換器為例做簡要介紹。
 

日本的研究人員開發(fā)成功一種振動(dòng)型壓電變壓器，其厚度僅為4mm。該壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)電路采用方波逆變器，通過改變其開關(guān)頻率（PFM方式）以達(dá)到借助壓電變壓器的諧振特性來調(diào)整輸出電壓的目的。但是，由于壓電變壓器具有多種由其形狀所決定的諧振頻率，所以很難通過大幅度地改變頻率的做法來控制輸出電壓。為此，人們正在研究引入逆變器的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。圖7示出了通過將驅(qū)動(dòng)用逆變器、采用電流倍增器的整流電路以及采用PFM和PWM方式的混合控制電路與壓電變壓器相連而構(gòu)成的壓電變壓器DC/DC轉(zhuǎn)換器。

利用增設(shè)了有源鉗位電路的逆變器，可使施加在壓電變壓器之上的輸入電壓的基本頻率分量與主開關(guān)的時(shí)間比D大致成正比，因而能夠進(jìn)行PWM控制。關(guān)于控制方式，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，執(zhí)行PWM控制；而當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，則切換至PFM控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這能夠針對90～260V的寬輸入電壓范圍來相應(yīng)地調(diào)整輸出電壓。