反激式开关电源的效率的极限是多少?

　　这个问题最新的答案是94%!

　　PI高级应用工程师/实验室经理阎金光先生在上海举行的Tech Shanghai电源管理与功率器件论坛上向大家介绍了刚刚发布的InnoSwitch3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC的技术概览、技术特性和设计范例。该产品可实现高达94%的效率，与其上一代InnoSwitch系列产品相比，电源损耗大幅降低25%!PI将其称为“终极反激式方案”。下面我们通过一组图，来看看InnoSwitch3这个开关电源“神器”究竟什么样!

　　做电源设计的人都晓得效率的重要性。在电源转换过程中，更高的效率意味着更少的热量耗散，也意味着无需更大的体积和表面积去散热，不需要散热器也可以设计更高功率的产品，这对于电源产品的“身材”和成本控制都大有好处。从下面这个表中可以看到，使用效率94%的InnoSwitch 3设计的电源适配器，由于耗散热能的减少，和旧款相比体积只有其30%。所以采用InnoSwitch 3可以轻松设计出无散热片、结构紧凑的65 W电源，它特别适合对能耗、外形尺寸或散热要求比较严苛的电源应用，特别是那些必须符合强制性总能耗(TEC)标准的电源产品。

　　关键是，InnoSwitch3在很宽的输入电压范围内，都有很稳定的效率表现，这就比较厉害了。下图是以20V/30W敞开式电源为例的测试结果。

　　在宽负载范围内，InnoSwitch3的效率表现也很抢眼，下图这个笔记本适配器方案中，即使在10%的低负载下，电源效率仍可达90%以上，大大高于欧盟和美国的能源标准。

　　InnoSwitch3的空载功耗也非常出色，以45W的充电器为例，19V输出的空载功耗小于30mW，5V输出的空载功耗更是低于20mW。

　　大家一定好奇，InnoSwitch 3是如何做到如此高效率的?特别是在上一代InnoSwitch产品已接近极限的92%效率基础上，如何又挖掘出了2%的提升空间?下图列示出了InnoSwitch3采用的一些关键的技术。其中，有两点对2%的效率提升起到关键作用：

　　1)由于采用的专利的开关和控制技术，CCM和准谐振开关，优化了效率。

　　2)由于在芯片中初级侧集成了功率MOSFET，次级侧也采用了同步整流MOSFET，所以通过InnoSwitch3一颗芯片的控制器可以同时控制初级和次级两个MOSFET，优化它们的开关时序，更精准地控制同步整流的导通时间，提升了效率。

　　除了高效率以外，InnoSwitch 3在实现精准的电压和电流调整方面，也是独树一帜。这里不能不再次提起PI引以为豪的FluxLink磁感耦合技术，这一创新的初级次级之间的通信反馈技术，使得电源系统既具备了次级侧控制方式的性能优势，无需光耦等额外的元器件，又具有初级侧驱动方式的简单性特征。采用FluxLink技术的InnoSwitch 3直接跨接于安规隔离带之间，直接监测输出，同时控制初级与次级开关，实现更高的性能。

　　InnoSwitch 3还具备出色的动态相应特性。常规的电源负载阶跃可导致输出电压的漂移且恢复缓慢，负载向下阶跃会造成输出过冲，向上阶跃会造成输出下冲，而InnoSwitch 3由于采用了优化的控制模式，可快速响应负载的变化，从下图可以看出即使出现100%的负载波动，也看不到明显的输出变化。

　　传统上，想要改善动态响应，需要在电路中增加输出电容或者二次稳压，而这些工作都被InnoSwitch 3一个器件搞定了，对开发者来说当然更划算。

　　此外，InnoSwitch 3还集成了完善的保护特性，包括无损耗输入过压及欠压保护、输出过压保护、过功率保护、过流保护、过温保护以及输出整流管短路保护。从下图可以看出，由于次级采用了同步整流短路保护，所以可以省去初级TVS箝位电路，给最终的产品和方案带来更好的经济性。

　　再来看看InnoSwitch 3的InSOP-24封装，这是一种可提供高效散热的薄型封装方案，为PCB板的布局带来了很大的便利性。同时该封装形式在初级侧与次级侧之间具有更宽的11.5 mm爬电距离和电气间隙，可轻松满足中国5000米海拔的CQC要求，可靠性更高，抗浪涌及ESD能力更强。

　　InnoSwitch 3的特性，决定了其应用范围十分广泛。与InnoSwitch一样，InnoSwitch3也分别针对不同目标应用，提供了三个版本。详见下图。

　　最后我们上一张完整的InnoSwitch 3与InnoSwitch的比较图。从中我们的赶脚是，在竞争激烈的电源管理市场，“没有一个器件能够随随便便成功”，正是对一个个细节的“斤斤计较”，才成就了InnoSwitch 3“终极反激式方案”的江湖地位。

　　开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

　　开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

　　现代开关电源有两种：一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。开关电源内部结构 这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电)，如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

　　直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。

　　隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)，双管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半桥式(Half-Bridge Converter)四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

　　非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式(Buck)DC/DC转换器 ，升压式(Boost)DC/DC转换器、升压降压式(Buck Boost)DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式(Buck-Boost)DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

　　隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

　　在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。

　　非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

　　按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

　　DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 (Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

　　按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关(Hard Switching)和软开关(Soft Switching)两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗(Switching loss)。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关(Zero-Voltage-Switching，ZVS)，或是通过开关管的电流为零，即零电流开关(Zero-Current·Switching，ZCS)。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管(MOSFET)是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。绝缘栅双极性晶体管(Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT)是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流(ZCS)关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器(ResonantConverter ，RC)、准谐振转换器(Qunsi-Tesonant Converter，QRC)、多谐振转换器(Mu1ti-ResonantConverter，MRC)、零电压开关PWM转换器(ZVS PWM Converter)、零电流开关PWM转换器(ZCS PWM Converter)、零电压转换(Zero-Vo1tage-Transition，ZVT)PWM转换器和零电流转换(Zero- Vo1tage-Transition，ZVT)PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。