中心議題：

• 開關電源低功耗化技術
• 開關電源低噪聲化技術
• 開關電源小型化技術

開關電源因其體積小、zhongliangqinghexiaolvgaoerzaigezhongdianzixinxishebeizhongdedaoleguangfandeyingyong。jinlai，bansuizherenmenduikaiguandianyuanyaoqiudejinyibushengji，didianyadadianliuzhuanhuanqidegaoxiaohuayijixiangyingdegaosuhuachengweileyouguanchangshangheyanjiujigouderemenketi。lingwai
，dianzixinxishebeiyongliangdejizenghaishidedianciganrao（EMI）問題日益突出，而開關操作時產生的浪湧和噪聲則是開關電源的固有缺陷
，為此人們將開關電源的低功耗化
、小型化和低噪聲化作為今後的三大重點研究目標。

舉(ju)個(ge)例(li)子(zi)，如(ru)果(guo)功(gong)耗(hao)增(zeng)加(jia)，就(jiu)會(hui)導(dao)致(zhi)元(yuan)件(jian)溫(wen)升(sheng)的(de)增(zeng)加(jia)

，這(zhe)不(bu)僅(jin)會(hui)降(jiang)低(di)電(dian)源(yuan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，還(hai)因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)增(zeng)設(she)散(san)熱(re)器(qi)而(er)不(bu)利(li)於(yu)實(shi)現(xian)小(xiao)型(xing)化(hua)。由(you)此(ci)可(ke)見(jian)低(di)功(gong)耗(hao)化(hua)與(yu)小(xiao)型(xing)化(hua)是(shi)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)的(de)，所(suo)以(yi)在(zai)研(yan)究(jiu)時(shi)不(bu)能(neng)割(ge)裂(lie)。而(er)且(qie)，來(lai)自(zi)業(ye)界(jie)的(de)低(di)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)要(yao)求(qiu)也(ye)是(shi)必(bi)須(xu)盡(jin)力(li)滿(man)足(zu)的(de)。本(ben)文(wen)將(jiang)概(gai)要(yao)介(jie)紹(shao)幾(ji)種(zhong)旨(zhi)在(zai)實(shi)現(xian)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)化(hua)、低噪聲化和小型化的最新技術。

低功耗化技術





如圖1所示，近年來，電子設備所采用的LSIdequdongdianyazhengzaizhujianxiajiang
，erxiaohaodianliuqueyinweishebeigongnengdeduogongnenghuazengdalexuduo
，suizhezhuanhuanqidedidianyadadianliuhua
，yibandaotiyuanjianweishou，bianyaqi、配線等的導通損耗變得愈發明顯，往往很難維持高效率，為此人們做了大量的研究工作。例如，在把通信領域中常用的48V輸入電壓轉換成LSI所用的1V低電壓時
，以往的降壓型轉換器需要將接通時間比（TimeRatio）設定在1/40以下。在如此短的時間裏流經開關元件的巨大脈衝電流是導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(de)降(jiang)壓(ya)型(xing)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)
，即(ji)使(shi)不(bu)采(cai)用(yong)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)時(shi)間(jian)比(bi)也(ye)能(neng)夠(gou)獲(huo)得(de)很(hen)大(da)的(de)降(jiang)壓(ya)比(bi)。雖(sui)然(ran)當(dang)抽(chou)頭(tou)電(dian)感(gan)器(qi)的(de)繞(rao)組(zu)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)漏(lou)電(dian)感(gan)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)大(da)的(de)浪(lang)湧(yong)電(dian)壓(ya)
，但(dan)由(you)於(yu)采(cai)用(yong)了(le)有(you)源(yuan)鉗(qian)位(wei)（ActiveClamp）電路，故使得浪湧電壓受到抑製。


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換器中的方案，可在采用48V輸入和1.2V/70A輸出的條件下實現高達91%的(de)效(xiao)率(lv)。上(shang)麵(mian)講(jiang)到(dao)的(de)幾(ji)種(zhong)電(dian)路(lu)方(fang)式(shi)基(ji)本(ben)上(shang)都(dou)是(shi)一(yi)段(duan)式(shi)結(jie)構(gou)，最(zui)近(jin)，出(chu)於(yu)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)考(kao)慮(lv)，人(ren)們(men)正(zheng)在(zai)加(jia)緊(jin)研(yan)發(fa)兩(liang)段(duan)式(shi)結(jie)構(gou)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。就(jiu)普(pu)通(tong)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)而(er)言(yan)
，采(cai)用(yong)兩(liang)段(duan)式(shi)結(jie)構(gou)將(jiang)導(dao)致(zhi)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)是(shi)人(ren)所(suo)共(gong)知(zhi)的(de)常(chang)識(shi)
，然(ran)而(er)，在(zai)低(di)電(dian)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)
，對(dui)輸(shu)出(chu)進(jin)行(xing)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)是(shi)很(hen)普(pu)遍(bian)的(de)做(zuo)法(fa)，因(yin)此(ci)，如(ru)何(he)實(shi)現(xian)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)操(cao)作(zuo)的(de)高(gao)效(xiao)化(hua)便(bian)成(cheng)為(wei)了(le)關(guan)鍵(jian)所(suo)在(zai)。

圖4suoshijiweijiangyaxingzhuanhuanqiyubanqiaoshizhuanhuanqijilianerchengdeliangduanshizhuanhuanqi。dianyakongzhiyoudiyiduandejiangyaxingzhuanhuanqilaiwancheng，dierduandebanqiaoshizhuanhuanqizeyi50%的(de)固(gu)定(ding)時(shi)間(jian)比(bi)來(lai)工(gong)作(zuo)。因(yin)此(ci)
，通(tong)常(chang)能(neng)夠(gou)以(yi)最(zui)合(he)適(shi)的(de)條(tiao)件(jian)來(lai)驅(qu)動(dong)第(di)二(er)段(duan)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)同(tong)步(bu)整(zheng)流(liu)開(kai)關(guan)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)總(zong)體(ti)效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)升(sheng)。日(ri)本(ben)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)做(zuo)了(le)兩(liang)個(ge)實(shi)驗(yan)
，結(jie)果(guo)是(shi)：當輸入電壓為36～72V、輸出電壓為1.5V/20A且開關頻率為150kHz的工作條件下，轉換效率達到了87%左右；而當輸入電壓為36～75V、輸出電壓為3.3V/60A且開關頻率為170kHz的工作條件下，轉換效率最高可達95%，從而進一步降低了功耗。這種兩段式結構最近已被DC/DC轉換器模塊大量采用。
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低噪聲化技術



伴ban隨sui著zhe開kai關guan電dian源yuan開kai關guan操cao作zuo時shi急ji劇ju的de電dian壓ya和he電dian流liu變bian化hua而er產chan生sheng的de浪lang湧yong和he噪zao聲sheng將jiang作zuo為wei傳chuan導dao噪zao聲sheng或huo輻fu射she噪zao聲sheng傳chuan遞di至zhi設she備bei的de外wai部bu，從cong而er引yin發fa電dian磁ci幹gan擾rao（EMI）問題。傳導噪聲（特別是共模噪聲）中也時常會產生很大的環路電流，這是輻射噪聲的起因。近幾年來
，ZVS（零電壓開關）和ZCS（零電流開關）等軟開關（SoftSwitching）技術作為抑製浪湧發生的常規方法已經廣為人知。不過，人們在此基礎上又提出了多種能夠兼顧低功耗和低噪聲目標的電路方案。圖5（a）示出了采用有源鉗位電路的傳統型轉換器電路。鉗位開關Q2需要在高壓側進行絕緣驅動，這裏通常采用的是脈衝變壓器。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MOSFET開kai關guan的de源yuan極ji端duan子zi共gong接jie，從cong而er簡jian化hua了le柵zha極ji驅qu動dong。不bu僅jin如ru此ci
，這zhe種zhong共gong源yuan極ji型xing電dian路lu方fang式shi還hai有you望wang降jiang低di噪zao聲sheng，經jing實shi驗yan測ce量liang，其qi噪zao聲sheng電dian平ping較jiao之zhi傳chuan統tong型xing電dian路lu下xia降jiang了le約yue30dB。

了弄清其降噪原因，讓我們來設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，就會發現Q1漏極的電位與Q2漏極的電位隻產生等量的逆向變化。因此
，當電壓在開關操作時發生變化的時候，流經C4和C5的電流將會是反向的
，從而相互抵消。圖6中，在Q1關斷時通過寄生電容C5產生的共模噪聲電流經由寄生電容C4而被封閉於電路內部，這樣便能夠大幅度地減小流經輸入電源側的共模噪聲電流。

另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，由(you)於(yu)擔(dan)心(xin)該(gai)封(feng)閉(bi)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)會(hui)引(yin)發(fa)輻(fu)射(she)噪(zao)聲(sheng)
，因(yin)此(ci)應(ying)將(jiang)其(qi)封(feng)閉(bi)在(zai)預(yu)測(ce)的(de)通(tong)路(lu)中(zhong)。而(er)且(qie)，對(dui)於(yu)噪(zao)聲(sheng)頻(pin)率(lv)也(ye)應(ying)該(gai)借(jie)助(zhu)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)通(tong)過(guo)解(jie)析(xi)法(fa)來(lai)加(jia)以(yi)確(que)認(ren)。由(you)該(gai)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)電(dian)流(liu)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)輻(fu)射(she)噪(zao)聲(sheng)與(yu)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)的(de)麵(mian)積(ji)成(cheng)正(zheng)比(bi)

，故(gu)需(xu)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)減(jian)小(xiao)上(shang)述(shu)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)的(de)麵(mian)積(ji)。

小型化技術

提高開關頻率是實現開關電源小型化
、輕量化的有效措施，從1970年到1980年這10年間
，開關電源的開關頻率提高了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現小型化的途徑之一。

最近，人們又開始嚐試一種開關電源小型化的新方法
，即采用壓電變壓器來取代傳統的電磁變壓器。壓電變壓器具有外形扁薄
、結構簡單、易於絕緣和無磁性噪聲等諸多優點。目前
，適合於液晶背光源用逆變器的扁平壓電變壓器業已實用化，有關其在DC/DC轉換器中應用的實用化研究也在進行之中，這裏我們以AC適配器所采用的壓電變壓器轉換器為例做簡要介紹。
 

日本的研究人員開發成功一種振動型壓電變壓器，其厚度僅為4mm。該壓電變壓器的驅動電路采用方波逆變器，通過改變其開關頻率（PFM方式）以yi達da到dao借jie助zhu壓ya電dian變bian壓ya器qi的de諧xie振zhen特te性xing來lai調tiao整zheng輸shu出chu電dian壓ya的de目mu的de。但dan是shi，由you於yu壓ya電dian變bian壓ya器qi具ju有you多duo種zhong由you其qi形xing狀zhuang所suo決jue定ding的de諧xie振zhen頻pin率lv
，所suo以yi很hen難nan通tong過guo大da幅fu度du地di改gai變bian頻pin率lv的de做zuo法fa來lai控kong製zhi輸shu出chu電dian壓ya。為wei此ci，人ren們men正zheng在zai研yan究jiu引yin入ru逆ni變bian器qi的de脈mai寬kuan調tiao製zhi（PWM）技術。圖7示出了通過將驅動用逆變器、采用電流倍增器的整流電路以及采用PFM和PWM方式的混合控製電路與壓電變壓器相連而構成的壓電變壓器DC/DC轉換器。

利用增設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的時間比D大致成正比
，因而能夠進行PWM控製。關於控製方式，當輸入電壓較低時，執行PWM控製
；而當輸入電壓升高時，則切換至PFM控製，實驗結果顯示這能夠針對90～260V的寬輸入電壓範圍來相應地調整輸出電壓。