能耗是非常熱門的話題，能量轉(zhuǎn)換也因此具有更加重要的意義。電子設(shè)備已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，減少這些設(shè)備的能耗將具有非常重要的意義。新型的IC技術(shù)既可以達到節(jié)能的目的，還可以以低成本保持所需的功能和性能。通過1W倡議等活動，業(yè)界在減少待機功耗上已經(jīng)取得了很大進展，目前的重點已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了有源模式上。
美國EPA的能源之星計劃對計算機在各種負載下的最小效率制定了標準，對企業(yè)服務(wù)器、外置電源模塊和機頂盒的標準也在制定當中。能源之星的標準很快被日本、中國、歐洲和澳大利亞所采納。電源在減少能源消耗方面將發(fā)揮關(guān)鍵作用，在如何提高效率上出現(xiàn)了一些新的關(guān)注重點。
傳統(tǒng)拓撲技術(shù)
輸入電壓范圍、輸出電流和輸出電壓決定了選用何種拓撲方案。在商用的高容量電源中，選用何種拓撲的決定因素常常是成本，設(shè)計者對拓撲的熟悉程度，以及元器件是否容易采購。
常用的傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)是單開關(guān)前向（1Sw）、雙開關(guān)前向（2Sw）和雙開關(guān)半橋（HB）結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)可以提供穩(wěn)定的具有成本效益的解決方案，但在一定的成本約束下，達不到所需的效率。典型的電源適配器和高容量電源的峰值效率可以達到60%～70%，但在輕負載條件下的效率很差。目前的法規(guī)要求，在20%、50%和滿負載條件下的效率都要達到80%，而且還必須保持非常低的待機功耗。
開關(guān)前向
開關(guān)前行拓撲（見圖1）是極為常用的一種結(jié)構(gòu)，容易設(shè)計、性能穩(wěn)定、成本低廉，并且所需的元器件也較少。在滿載或接近滿載的情況下，這種拓撲的效率受限于50%的占空比，低占空比會使匝數(shù)比相對較低，原邊電流相對較高。在輕負載條件下，開關(guān)損失會使效率變得很差。在現(xiàn)在的很多設(shè)計中，常采用PFC（功率因數(shù)校正）前端來減少諧波電流。當采用功率因數(shù)校正的輸出電壓在400V以內(nèi)時，單開關(guān)前向必須使用耐壓大于900V的開關(guān)FET，這樣就會增加成本。
圖1 簡單穩(wěn)定的1-Sw前向拓補
雙開關(guān)前向
2-Sw開關(guān)前向拓撲（見圖2）是在單開關(guān)前向的基礎(chǔ)改進后的設(shè)計，旨在解決開關(guān)電壓范圍較窄的問題。這種拓撲提高了開關(guān)的電壓等級，以使輸入電壓最大化，但不需要兩個開關(guān)，其結(jié)構(gòu)仍然是硬開關(guān)拓撲，因此開關(guān)損耗較高。為驅(qū)動高壓側(cè)的MOSFET所增加的啟動電路和驅(qū)動器使得系統(tǒng)的復(fù)雜度也提高了。
圖2 2-Sw前向拓補降低對開關(guān)管的電壓要求
半橋拓撲
半橋轉(zhuǎn)換器（見圖3）可以滿足更高輸出功率的要求。半橋轉(zhuǎn)換器可進行兩個四象限操作，降低了原邊FET的電流應(yīng)力，這一點類似于雙開關(guān)前向轉(zhuǎn)換器。變壓器的結(jié)構(gòu)和輸出整流比前向拓撲的更為復(fù)雜，同前向轉(zhuǎn)換器一樣，半橋轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗也是一個很大的問題。
圖3 半橋拓補適合高電流應(yīng)用
新的拓撲結(jié)構(gòu)
一些所謂新的拓撲結(jié)構(gòu)其實并不真是新的，有些已經(jīng)被提出很長時間了。但在商用的高容量系統(tǒng)中采用這些拓撲還是最近幾年的事情，其原因是更高的效率要求和新型的IC使得這些拓撲結(jié)構(gòu)具有了很好的成本效益。
有源鉗位前向拓撲（見圖4）是一種軟開關(guān)拓撲，雖然看起來像傳統(tǒng)的前向拓撲，但一直以來都被認為難以部署，因此基本上只在非常特定的高功率應(yīng)用中采用，主要是電信行業(yè)。
圖4 NCP1562采用的有源鉗位拓補是一種軟開關(guān)技術(shù)
這個設(shè)計中，在主開關(guān)關(guān)斷的整個時間段內(nèi)，用與輔助開關(guān)并聯(lián)的電容器對變壓器進行復(fù)位，避免了在單開關(guān)前向設(shè)計中的死區(qū)時間問題。由于低開關(guān)損耗和大于50%的占空比，這種拓撲在整個負載范圍內(nèi)都能實現(xiàn)很高的效率。在擴展的占空比下工作降低了原邊電流，減小了開關(guān)管上的應(yīng)力，而且還具有自驅(qū)動的同步整流。這種拓撲可以使用低電壓也是低成本的MOSFET，在同步整流中是很好的選擇。采用有源鉗位器件和控制有源鉗位FET看起來會增加復(fù)雜度，但由于無須采用緩沖器、復(fù)位電路，對開關(guān)管的各項要求降低了，會抵消所增加的復(fù)雜度。
安森美半導(dǎo)體公司等器件廠商所提供的先進IC極大簡化了這種拓撲的部署，在高容量應(yīng)用中采用這種拓撲可有效地降低器件成本。然而，與雙開關(guān)前向或半橋轉(zhuǎn)換器相比，有源鉗位前向拓撲還是需要較高電壓等級的開關(guān)管。
LLC（電感-電感-電容）諧振拓撲（見圖5）是最適合需要高輸出電壓的LCD和等離子電視等應(yīng)用的技術(shù)，與有源鉗位拓撲相似，這種拓撲也是一種軟開關(guān)拓撲，可以實現(xiàn)非常高的效率。這種拓撲不需要電感，從而降低了成本和尺寸，在原邊器件上的應(yīng)力也減小了。
圖5 LLC諧振半橋拓補適合需要高輸出電壓的應(yīng)用
這種拓撲也有一些缺點，包括非常復(fù)雜的電磁設(shè)計、變化的頻率和輸出電容器中的高紋波電流，而且較難實現(xiàn)寬輸入電壓。
比較
● 原邊開關(guān)管：對300～400Vdc的輸入電壓，有源鉗位拓撲的原邊峰值電流是最低的。1-Sw和2-Sw前向拓撲的等效電流與有源鉗位拓撲的電流相近，但由于MOSFET電壓等級不同，使得導(dǎo)通損耗要高一些。
● 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的直流二次側(cè)整流器電壓應(yīng)力是最低的，其次是有源鉗位轉(zhuǎn)換器，然后是1-Sw和2-Sw前向轉(zhuǎn)換器。由于開關(guān)尖峰的原因，傳統(tǒng)拓撲中的二次側(cè)應(yīng)力還要高。
● 由于不需要輸出電感，諧振半橋拓撲的電磁設(shè)計顯然比較簡單，然而，變壓器的設(shè)計難度會大大增加。與傳統(tǒng)的前向轉(zhuǎn)換器相比，有源鉗位轉(zhuǎn)換器的輸出電感的尺寸要小13%左右。
● 諧振半橋轉(zhuǎn)換器的輸出電容器的電流紋波是最高的。
● 有源鉗位前向轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)很高的開關(guān)頻率（200～300kHz），而硬開關(guān)拓撲的開關(guān)頻率通常低于150kHz。諧振半橋轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率是可變的，在滿負載和低輸出電壓情況下，典型的最低頻率一般設(shè)定在60～70kHz，最高頻率可以達到數(shù)百千赫茲。