當(dāng)前位置：
電源是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的重要部分，并且市面上有許多可用的組件能夠幫助工程師設(shè)計(jì)出節(jié)能、緊湊的電源產(chǎn)品。這些組件范圍從簡(jiǎn)單的二極管等分立元件到采用高級(jí)半導(dǎo)體架構(gòu)的復(fù)雜電源管理IC。
設(shè)計(jì)高能效電源是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)，電源工程師需要這些電源產(chǎn)品提供盡可能多的功率（通常需要比上一代產(chǎn)品提供更高的功率），同時(shí)又需要使其體積盡可能小。但是，在較高的功率水平級(jí)別，會(huì)產(chǎn)生很多需要消散的熱量，不斷積累的熱量會(huì)對(duì)電源產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性帶來負(fù)面影響。
電源系統(tǒng)的類型
1、按輸出特性分類：
一般來說，電器系統(tǒng)中的電源，其任務(wù)就是為電器系統(tǒng)中的各種電路提供電能。由 于電路的類型各易、功能有別，因此對(duì)電源供給也有不同的要求。這就給電源輸出提出 了各種各樣的要求：
①恒壓電源：又叫穩(wěn)壓電源，要求輸出電壓值固定，不隨負(fù)載、輸入電壓等外部工 作條件而變化。同時(shí)對(duì)電源的最大輸出電流、最大輸出功率、工作效率、輸出電壓穩(wěn)定 度（漂移）、紋波系數(shù)、電磁兼容 EMC 特性、溫度效應(yīng)、噪聲、阻抗特性等都有特定的 要求。 此類電源的應(yīng)用最廣，絕大多數(shù)的電子電路都需要電壓穩(wěn)定的電能供給，以至于很 多人認(rèn)為電源就是指穩(wěn)壓電源。
②恒流電源：要求能夠在一定的負(fù)載變化范圍內(nèi)，提供穩(wěn)定的電流輸出。同時(shí)對(duì)最 高輸出電壓、最大輸出功率、工作效率、輸出電壓穩(wěn)定度（漂移）、紋波系數(shù)、電磁兼 容 EMC 特性、溫度效應(yīng)、噪聲、阻抗特性等都有特定的要求。 此類電源一般只應(yīng)用在一些特殊的場(chǎng)合，比如：電池充電電路。恒流電源還有一個(gè) 比較特殊的用處，由于恒流電源具有極高的交流阻抗（理論值為∞）特性，因此在信號(hào) 放大系統(tǒng)中也常常用它來作為交流負(fù)載，即可以獲得足夠大的交流增益，還可以靠它為 放大電路提供電能。
③綜合電源：一些特殊的應(yīng)用，要求電源在不同的時(shí)候呈現(xiàn)恒壓或恒流的特性。比 如一些比較高級(jí)的電池充電器電源，在剛開始的時(shí)候采用恒流方式給電池充電，當(dāng)充電 接近完成時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成為恒壓方式充電。
2、按輸入輸出電量類型分類：
我們最容易獲得的，而且是最廉價(jià)的電能是 220V 工頻的交流電，因此多數(shù)的電器 都被設(shè)計(jì)成為能夠使用這種交流電；一些便攜式電器設(shè)備，如移動(dòng)電話，筆記本電腦等， 為了移動(dòng)方便，使用了電池供電，電池的輸出是低壓直流電。但是，電器中幾乎全部的 電子電路，都只能在特定電壓的直流供電狀態(tài)下工作。因此，這就帶來了交流電（AC） 與直流電（DC）之間的轉(zhuǎn)化問題，以及交流電壓、直流電壓的高低變換問題，于是我們 按照電源的輸入輸出電量類型關(guān)系，可以把電源分為以下類型：
①普通電源（AC/DC）：輸入非穩(wěn)定的 220V 工頻交流電，輸出為較低電壓的穩(wěn)定直 流電。
②直流變換器（DC/DC）：輸入非穩(wěn)定的直流電，輸出為穩(wěn)定的更高電壓，或者更 低電壓的直流電。
③交流逆變器（DC/AC）：輸入非穩(wěn)定的直流電，輸出穩(wěn)定的 220V 工頻交流電。此 類電源常用在交通工具上，用來使蓄電池對(duì)常規(guī)電器設(shè)備（電視、錄象機(jī)等）供電。
④交流穩(wěn)壓器（AC/AC）：輸入非穩(wěn)定的 220V 工頻交流電，輸出穩(wěn)定 220V 工頻交 流電。 ⑤組合電源：以上類型電源的組合。比如應(yīng)急電源 UPS 就是 AC/DC 電源與 DC/AC 電 源的組合。
3、按電源主回路的聯(lián)接方式分類：
無論是什么類型的電源，都是通過某種方式對(duì)輸出端的電壓或者電流進(jìn)行特定的操 作。比如 DC/DC 是對(duì)輸出電壓的幅度進(jìn)行調(diào)整，其實(shí)穩(wěn)壓的過程實(shí)質(zhì)也是調(diào)整輸出電壓 值，通過電壓反饋的方式調(diào)整輸出電壓，使其穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值上。而“調(diào)整”最終都 需要由調(diào)整器件來完成。 電源主回路的聯(lián)接關(guān)系，實(shí)際上就是：輸入端、調(diào)整器件、負(fù)載（輸出端）三者的 聯(lián)接關(guān)系。
① 串聯(lián)式電源：主要特征是調(diào)整器件與負(fù)載為串聯(lián)聯(lián)接，如下圖所示。其中，三 極管 VT 為調(diào)整器件，RL 為負(fù)載。
②并聯(lián)式電源：主要特征是調(diào)整器件與負(fù)載為并聯(lián)聯(lián)接，如下圖所示。其中，三極 管 VT 為調(diào)整器件，RL 為負(fù)載，R 為限流電阻。
4、按調(diào)整器件的工作方式分類：
調(diào)整器件是通過改變電荷的通過數(shù)量，來達(dá)到調(diào)整或者穩(wěn)定負(fù)載（輸出）端電壓或 者電流的目的，而調(diào)整的方法有兩種，一種是限制電流大小的方式，另一種是限制導(dǎo)通 時(shí)間的方式：
①模擬方式：通過改變調(diào)整器件的阻抗，限制電流大小，從而達(dá)到調(diào)整目的，由于 調(diào)整器件處于連續(xù)導(dǎo)電狀態(tài)，工作于線性模式，因此稱為“模擬方式”，也叫模擬電源。
②高速開關(guān)方式：通過改變調(diào)整器件的導(dǎo)通時(shí)間，限制平均電流的大小，從而達(dá)到 調(diào)整目的，由于調(diào)整器件處于高速通斷的開關(guān)導(dǎo)電狀態(tài)，工作于開關(guān)模式，因此稱為“開 關(guān)方式”，也叫開關(guān)電源。 下圖是串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)電源主回路的原理示意，并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，能夠得到 Uo＞ Ui 的升壓型 DC/DC 變換；串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，能夠得到 Uo＜Ui 的降壓型 DC/DC 變換。以后我 們將更詳細(xì)地分析電路的工作原理。
開關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是效率極高，由于調(diào)整器件無論處于通電狀態(tài)（端電壓等于 零），還是處于關(guān)斷狀態(tài)（電流等于零），都不消耗能量，因此，理論上可以做到 100%的工作效率，實(shí)際也可以達(dá)到 80%以上。而模擬電源是絕對(duì)達(dá)不到如此高的工作效率。 因此開關(guān)電源成為現(xiàn)代電子電源的主流發(fā)展方向。
5、按調(diào)整器件的類型分類：
電源中的調(diào)整器件是組成電源系統(tǒng)的關(guān)鍵。半導(dǎo)體雙極型功率三極管（普通功率三 極管）、功率場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅器件、電子真空管、半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管、飽和電感器輝 光放電管等都可以作為電源系統(tǒng)的調(diào)整器件，因此可以有以下一些電源的種類：
①雙極型半導(dǎo)體電源；
②場(chǎng)效應(yīng)管電源；
③真空管電源；
④其他類型電源。
關(guān)鍵的電源組件有哪些？
電源中使用的組件會(huì)對(duì)整體效率產(chǎn)生重大影響。下面將簡(jiǎn)要分析各種主要組件類別。
二極管
如果使用管道作為類比，可以將二極管視為一種單向閥，它允許電流沿單向（從陽(yáng)極到陰極）通過，但會(huì)阻止任何反向電流流動(dòng)。二極管通常用于將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）的整流過程，其中四個(gè)二極管背靠背排列，這種電路稱為全波“橋”形整流。在整流應(yīng)用中，需要考慮的主要參數(shù)是正向電流額定值（安培）和可以承受的反向電壓。二極管在開關(guān)應(yīng)用中也很有效。
市場(chǎng)上有幾種可供選擇的二極管類型，在電流導(dǎo)通時(shí)，由于每種特定類型相關(guān)的正向電壓不同，這些二極管的區(qū)別變得尤其明顯。常規(guī)二極管的壓降最大，這會(huì)導(dǎo)致更多的損耗，以及二極管中的散熱。而肖特基二極管的正向壓降更低，這使其損耗較小，但需要權(quán)衡的因素是其反向擊穿電壓較低。
二極管在電流導(dǎo)通和阻止交流電流之間的轉(zhuǎn)換速度也很重要。采用常規(guī)材料制成的二極管速度有快有慢，而肖特基二極管（Schottky diodes）的速度幾乎都很快。
碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等全新寬帶隙（wide-bandgap）半導(dǎo)體材料現(xiàn)在已經(jīng)被用于二極管組件，這些新材料可以改善所有主要性能參數(shù)（如溫度額定值、正向電壓、反向擊穿電壓和速度等）。毫不奇怪，這些新型組件目前價(jià)格也比較昂貴，但其單價(jià)會(huì)隨著產(chǎn)量的增大而降低。
齊納二極管（Zener diode）是一種特殊類型二極管，用于鉗位瞬態(tài)電壓或創(chuàng)建相當(dāng)精確的電壓基準(zhǔn)。這種獨(dú)特的二極管可阻止反向電流直至某個(gè)特定電壓，然后允許電流流過。通常選擇齊納二極管時(shí)需要考慮反向擊穿電壓。
功率晶體管
晶體管是一種能夠由電壓控制的固態(tài)開關(guān)。電流能夠在“集電極”和“發(fā)射極”之間通過，這取決于基極上的電壓。通過以高電壓或低電壓驅(qū)動(dòng)基極，晶體管可以用作硬開關(guān)，這意味著電流或?yàn)闈M量程，或?yàn)榱恪Ｔ诨鶚O上具有中間電壓的情況下，晶體管在其線性區(qū)域操作，并且電流由基極電壓控制。
雙極結(jié)型晶體管（BJT）是最簡(jiǎn)單的晶體管類型，通常僅用于低功率設(shè)計(jì)。BJT具有幾個(gè)不同的參數(shù)，但主要參數(shù)包括額定電流，在基極關(guān)斷時(shí)承受集電極和發(fā)射極之間電壓的能力、工作速度和電流增益（基極電流與集電極-發(fā)射極電流之比）。根據(jù)控制電壓和開關(guān)電壓的極性，BJT可分為NPN或PNP型，并使用略有不同的符號(hào)。
另一種類型晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。與BJT相似，它們也是三極器件，但是各個(gè)極獲重新指定。在MOSFET中，控制引腳稱為“柵極（gate）”，受控電流在“漏極（drain）”和“源極（source）”之間通過。MOSFET的主要參數(shù)類似于BJT，包括額定電流、關(guān)斷時(shí)可承受的漏-源極電壓以及能夠提供的功率。
對(duì)于功率應(yīng)用中的MOSFET，最重要的參數(shù)是導(dǎo)通時(shí)在漏極和源極之間測(cè)得的電阻，這稱為“導(dǎo)通電阻”，其符號(hào)為RDS（ON）。導(dǎo)通電阻會(huì)造成MOSFET固有的功率損耗，并且對(duì)電源設(shè)計(jì)的整體功率損耗影響很大。另一個(gè)重要參數(shù)是驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的電荷量，稱為柵極電荷，用符號(hào)QG表示。這些電荷需要在每個(gè)開關(guān)周期提供，因此對(duì)高頻電源的損耗影響更大。
由于MOSFET的功率損耗通常低于BJT，因此MOSFET可用于更高功率應(yīng)用，尤其是現(xiàn)代高速設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兡軌蛞员菳JT更高的頻率工作。MOSFET主要有四種類型，N溝道和P溝道兩種類型如圖4所示，另外還有增強(qiáng)模式和耗盡模式器件。這些名稱也確定了器件的極性，以及柵極是在常關(guān)（normally-off）模式還是在常開（normally-on）模式下工作。所有MOSFET均可在漏極和源極之間雙向傳導(dǎo)。
BJT和MOSFET技術(shù)可以組合使用，以創(chuàng)建另一種晶體管，稱為絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。這種器件也具有一個(gè)門極（gate）以及一個(gè)集電極和一個(gè)發(fā)射極，但是由于它們速度相對(duì)較慢，并且是較舊的產(chǎn)品，因此一般僅在開關(guān)模式下使用。盡管IGBT通常頻率限制在50kHz左右，但它們可以應(yīng)對(duì)更高的功率水平（典型值高達(dá)5kV/400A）。因此，它們通常部署在電機(jī)控制、動(dòng)力電源和大型逆變器等高功率應(yīng)用中。
最后一種類型晶體管是晶閘管（thyristor），也稱為交流三極管（TRIAC）或可控硅整流器（SCR）。區(qū)別在于TRIAC可以雙向?qū)ǎ鳶CR只可以單向?qū)ǎ@些器件的符號(hào)都代表了相應(yīng)器件類型，如圖5所示。兩種類型都是由門極引腳控制的鎖存開關(guān)（latching switches），它們都非常適合大功率應(yīng)用。
電源管理IC
電源轉(zhuǎn)換有多種類型：AC-DC、DC-DC和DC-AC，就像電源轉(zhuǎn)換方法種類繁多一樣，電源應(yīng)用中使用的IC也多種多樣。對(duì)于這些，有許多拓?fù)浼軜?gòu)可適用于特定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。一些最流行的拓?fù)浼軜?gòu)包括降壓、升壓、橋式、半橋等。一些制造商提供的IC可以用作電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制器，通常一個(gè)完整的設(shè)計(jì)僅需要外部MOSFET和一些分立元件即可，從而縮短了開發(fā)時(shí)間。
某些設(shè)計(jì)可能要求進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，但這些往往適用于需要超低噪聲的醫(yī)療和科學(xué)儀器等專業(yè)應(yīng)用。一些線性控制器需要外部MOSFET，而另外一些則內(nèi)置有MOSFET，因而它們通常被稱為“三端穩(wěn)壓器（three-terminal regulators）”。線性轉(zhuǎn)換的效率往往較低，在輸入和輸出電壓之間的差異較大時(shí)更是如此。
通常，開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換更為常見，市場(chǎng)上也擁有更多這種IC。專為低功率應(yīng)用而設(shè)計(jì)的器件可能在控制器內(nèi)集成有MOSFET，而對(duì)于高功率應(yīng)用，它們通常是獨(dú)立的。有些器件可能很復(fù)雜，并且需要設(shè)計(jì)多相電源解決方案。還有許多IC能夠集成到更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)中，可用于與電源相關(guān)的其他功能。
兩種提高電源效率的技術(shù)
全球?qū)δ茉闯杀旧蠞q、環(huán)保和能源可持續(xù)性的關(guān)注正在推動(dòng)歐盟、美國(guó)加州等地的相關(guān)機(jī)構(gòu)相繼推 出降低電子設(shè)備能耗的規(guī)范。交流輸入電源，不論是獨(dú)立式的還是集成在電子設(shè)備中的，都會(huì)造成 一定的能源浪費(fèi)。首先，電源的效率不可能是 100% 的，部分能量在電源大負(fù)載工作時(shí)被浪費(fèi)掉。其次，當(dāng)負(fù)載未被使用時(shí)，連接交流線的電源會(huì)以待機(jī)功耗的形式消耗能量。
近年來，對(duì)電源效率等級(jí)的要求日趨嚴(yán)格。最近，80% 以上的效率已成為了基本標(biāo)準(zhǔn)。新倡議的能 效標(biāo)準(zhǔn)更是要求效率達(dá)到 87%及以上。此外，只在滿負(fù)載下測(cè)量效率的老辦法已被淘汰。目前的新 標(biāo)準(zhǔn)涉及了額定負(fù)載的 25%、50%、75% 和 100% 這四個(gè)點(diǎn)的四點(diǎn)平均水平。同樣地，最大允許待 機(jī)功耗也越來越受到限制，歐盟提議所有設(shè)備的待機(jī)功耗均應(yīng)低于 500mW，對(duì)于我們將討論的電 視機(jī)，則小于 200mW。
除專家級(jí)的高效率電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域之外，電子設(shè)備中所用的功率范圍從 1W 到 500W 的交流輸入電 源 ，一直以來主要采用兩種拓?fù)洌簶?biāo)準(zhǔn) (或硬開關(guān)) 反激式 (flyback) 拓?fù)洌碗p開關(guān)正激拓?fù)洹＿@ 兩種拓?fù)涠己芤子诶斫猓鼈兇嬖诘膯栴}，以及如何予以避免，業(yè)界都已有充分的認(rèn)識(shí)。
不過，隨著對(duì)效率的要求不斷提高，這兩種拓?fù)鋵⒅饾u為三種新的拓?fù)渌〈簻?zhǔn)諧振反激式拓?fù)洹LC 諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜筒粚?duì)稱半橋拓?fù)洹?zhǔn)諧振反激式拓?fù)湟驯怀晒τ糜谧畹凸β始?jí)到 200W 以上的范圍。在 70W-100W 范圍，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器比準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)涓行А６谶@兩個(gè)功率 級(jí)之上，不對(duì)稱半橋轉(zhuǎn)換器也很有效。
準(zhǔn)諧振反激式和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在嵌入式交流輸入電源中的應(yīng)用越來越廣泛。
準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的實(shí)際工作范圍上從超低功率級(jí)到 100W 左右。對(duì)于集成式解決方案，7W/12V 電源的滿負(fù)載效率約為 81%；而對(duì)采用了帶外部 MOSFET 的準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的 70W/22V 電源，滿負(fù)載效率則超過了 88%。前者的待機(jī)功耗遠(yuǎn)低于 150mW，后者的則小于 350mW。采用較低的輸出電壓，效率必然會(huì)迅速降到上述水平之下。一個(gè) 5W/5V 的電源將在輸出二極管上消耗至少 10% 的額定輸出功率。
準(zhǔn)諧振拓?fù)溥€有一個(gè)好處是 EMI 遠(yuǎn)小于硬開關(guān)應(yīng)用的，其頻率將隨 400V 輸入電容上的紋波而變化，導(dǎo)致自然的頻譜擴(kuò)展。此外，由于開關(guān)行為在較低電壓時(shí)發(fā)生，開關(guān)噪聲減小，故共模 EMI噪聲也相應(yīng)減小。
LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的實(shí)際工作范圍從 70W 左右到 500W 以上，帶有一個(gè) PFC 前端的 FSFR2100 已用于實(shí)現(xiàn) 200W 到 420W 的電源。對(duì)于高達(dá) 200W 的應(yīng)用，一般無需使用 FSFR2100 上的散熱器，但通常建議在輸出端使用一些肖特基二極管，而這些往往需要散熱器。此外，也可以采用同步整流方法，這時(shí)因?yàn)椴捎昧?MOSFET (雖然 MOSFET 的控制信號(hào)不易產(chǎn)生)，因此無需散熱器。對(duì)于采用了肖特基二極管的應(yīng)用，典型的峰值效率依照輸入電壓、輸出電壓和輸出功率情況，大約在 90%到 95%之間。
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