當前位置：
電源是現(xiàn)代電子設計的重要部分，并且市面上有許多可用的組件能夠幫助工程師設計出節(jié)能、緊湊的電源產品。這些組件范圍從簡單的二極管等分立元件到采用高級半導體架構的復雜電源管理IC。
設計高能效電源是一項極具挑戰(zhàn)的任務，電源工程師需要這些電源產品提供盡可能多的功率（通常需要比上一代產品提供更高的功率），同時又需要使其體積盡可能小。但是，在較高的功率水平級別，會產生很多需要消散的熱量，不斷積累的熱量會對電源產品的長期可靠性帶來負面影響。
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，不隨負載、輸入電壓等外部工 作條件而變化。同時對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、電磁兼容 EMC 特性、溫度效應、噪聲、阻抗特性等都有特定的 要求。 此類電源的應用最廣，絕大多數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載變化范圍內，提供穩(wěn)定的電流輸出。同時對最 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、電磁兼 容 EMC 特性、溫度效應、噪聲、阻抗特性等都有特定的要求。 此類電源一般只應用在一些特殊的場合，比如：電池充電電路。恒流電源還有一個 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 放大系統(tǒng)中也常常用它來作為交流負載，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：一些特殊的應用，要求電源在不同的時候呈現(xiàn)恒壓或恒流的特性。比 如一些比較高級的電池充電器電源，在剛開始的時候采用恒流方式給電池充電，當充電 接近完成時，自動轉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，而且是最廉價的電能是 220V 工頻的交流電，因此多數的電器 都被設計成為能夠使用這種交流電；一些便攜式電器設備，如移動電話，筆記本電腦等， 為了移動方便，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，用來使蓄電池對常規(guī)電器設備（電視、錄象機等）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輸出端的電壓或者電流進行特定的操 作。比如 DC/DC 是對輸出電壓的幅度進行調整，其實穩(wěn)壓的過程實質也是調整輸出電壓 值，通過電壓反饋的方式調整輸出電壓，使其穩(wěn)定在某一個數值上。而“調整”最終都 需要由調整器件來完成。 電源主回路的聯(lián)接關系，實際上就是：輸入端、調整器件、負載（輸出端）三者的 聯(lián)接關系。
① 串聯(lián)式電源：主要特征是調整器件與負載為串聯(lián)聯(lián)接，如下圖所示。其中，三 極管 VT 為調整器件，RL 為負載。
②并聯(lián)式電源：主要特征是調整器件與負載為并聯(lián)聯(lián)接，如下圖所示。其中，三極 管 VT 為調整器件，RL 為負載，R 為限流電阻。
4、按調整器件的工作方式分類：
調整器件是通過改變電荷的通過數量，來達到調整或者穩(wěn)定負載（輸出）端電壓或 者電流的目的，而調整的方法有兩種，一種是限制電流大小的方式，另一種是限制導通 時間的方式：
①模擬方式：通過改變調整器件的阻抗，限制電流大小，從而達到調整目的，由于 調整器件處于連續(xù)導電狀態(tài)，工作于線性模式，因此稱為“模擬方式”，也叫模擬電源。
②高速開關方式：通過改變調整器件的導通時間，限制平均電流的大小，從而達到 調整目的，由于調整器件處于高速通斷的開關導電狀態(tài)，工作于開關模式，因此稱為“開 關方式”，也叫開關電源。 下圖是串聯(lián)型和并聯(lián)型開關電源主回路的原理示意，并聯(lián)型結構，能夠得到 Uo＞ Ui 的升壓型 DC/DC 變換；串聯(lián)型結構，能夠得到 Uo＜Ui 的降壓型 DC/DC 變換。以后我 們將更詳細地分析電路的工作原理。
開關電源最大的優(yōu)點是效率極高，由于調整器件無論處于通電狀態(tài)（端電壓等于 零），還是處于關斷狀態(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，實際也可以達到 80%以上。而模擬電源是絕對達不到如此高的工作效率。 因此開關電源成為現(xiàn)代電子電源的主流發(fā)展方向。
5、按調整器件的類型分類：
電源中的調整器件是組成電源系統(tǒng)的關鍵。半導體雙極型功率三極管（普通功率三 極管）、功率場效應管、可控硅器件、電子真空管、半導體穩(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)的調整器件，因此可以有以下一些電源的種類：
①雙極型半導體電源；
②場效應管電源；
③真空管電源；
④其他類型電源。
關鍵的電源組件有哪些？
電源中使用的組件會對整體效率產生重大影響。下面將簡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（從陽極到陰極）通過，但會阻止任何反向電流流動。二極管通常用于將交流電（AC）轉換為直流電（DC）的整流過程，其中四個二極管背靠背排列，這種電路稱為全波“橋”形整流。在整流應用中，需要考慮的主要參數是正向電流額定值（安培）和可以承受的反向電壓。二極管在開關應用中也很有效。
市場上有幾種可供選擇的二極管類型，在電流導通時，由于每種特定類型相關的正向電壓不同，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，這會導致更多的損耗，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，但需要權衡的因素是其反向擊穿電壓較低。
二極管在電流導通和阻止交流電流之間的轉換速度也很重要。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）半導體材料現(xiàn)在已經被用于二極管組件，這些新材料可以改善所有主要性能參數（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格也比較昂貴，但其單價會隨著產量的增大而降低。
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)建相當精確的電壓基準。這種獨特的二極管可阻止反向電流直至某個特定電壓，然后允許電流流過。通常選擇齊納二極管時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。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動基極，晶體管可以用作硬開關，這意味著電流或為滿量程，或為零。在基極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。
雙極結型晶體管（BJT）是最簡單的晶體管類型，通常僅用于低功率設計。BJT具有幾個不同的參數，但主要參數包括額定電流，在基極關斷時承受集電極和發(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）。根據控制電壓和開關電壓的極性，BJT可分為NPN或PNP型，并使用略有不同的符號。
另一種類型晶體管是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。與BJT相似，它們也是三極器件，但是各個極獲重新指定。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的主要參數類似于BJT，包括額定電流、關斷時可承受的漏-源極電壓以及能夠提供的功率。
對于功率應用中的MOSFET，最重要的參數是導通時在漏極和源極之間測得的電阻，這稱為“導通電阻”，其符號為RDS（ON）。導通電阻會造成MOSFET固有的功率損耗，并且對電源設計的整體功率損耗影響很大。另一個重要參數是驅動柵極所需的電荷量，稱為柵極電荷，用符號QG表示。這些電荷需要在每個開關周期提供，因此對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可用于更高功率應用，尤其是現(xiàn)代高速設計，因為它們能夠以比BJT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（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。
BJT和MOSFET技術可以組合使用，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門極（gate）以及一個集電極和一個發(fā)射極，但是由于它們速度相對較慢，并且是較舊的產品，因此一般僅在開關模式下使用。盡管IGBT通常頻率限制在50kHz左右，但它們可以應對更高的功率水平（典型值高達5kV/400A）。因此，它們通常部署在電機控制、動力電源和大型逆變器等高功率應用中。
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可以雙向導通，而SCR只可以單向導通，這些器件的符號都代表了相應器件類型，如圖5所示。兩種類型都是由門極引腳控制的鎖存開關（latching switches），它們都非常適合大功率應用。
電源管理IC
電源轉換有多種類型：AC-DC、DC-DC和DC-AC，就像電源轉換方法種類繁多一樣，電源應用中使用的IC也多種多樣。對于這些，有許多拓撲架構可適用于特定的應用標準。一些最流行的拓撲架構包括降壓、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)設計的控制器，通常一個完整的設計僅需要外部MOSFET和一些分立元件即可，從而縮短了開發(fā)時間。
某些設計可能要求進行線性轉換，但這些往往適用于需要超低噪聲的醫(yī)療和科學儀器等專業(yè)應用。一些線性控制器需要外部MOSFET，而另外一些則內置有MOSFET，因而它們通常被稱為“三端穩(wěn)壓器（three-terminal regulators）”。線性轉換的效率往往較低，在輸入和輸出電壓之間的差異較大時更是如此。
通常，開關模式電源轉換更為常見，市場上也擁有更多這種IC。專為低功率應用而設計的器件可能在控制器內集成有MOSFET，而對于高功率應用，它們通常是獨立的。有些器件可能很復雜，并且需要設計多相電源解決方案。還有許多IC能夠集成到更大、更復雜的系統(tǒng)中，可用于與電源相關的其他功能。
兩種提高電源效率的技術
全球對能源成本上漲、環(huán)保和能源可持續(xù)性的關注正在推動歐盟、美國加州等地的相關機構相繼推 出降低電子設備能耗的規(guī)范。交流輸入電源，不論是獨立式的還是集成在電子設備中的，都會造成 一定的能源浪費。首先，電源的效率不可能是 100% 的，部分能量在電源大負載工作時被浪費掉。其次，當負載未被使用時，連接交流線的電源會以待機功耗的形式消耗能量。
近年來，對電源效率等級的要求日趨嚴格。最近，80% 以上的效率已成為了基本標準。新倡議的能 效標準更是要求效率達到 87%及以上。此外，只在滿負載下測量效率的老辦法已被淘汰。目前的新 標準涉及了額定負載的 25%、50%、75% 和 100% 這四個點的四點平均水平。同樣地，最大允許待 機功耗也越來越受到限制，歐盟提議所有設備的待機功耗均應低于 500mW，對于我們將討論的電 視機，則小于 200mW。
除專家級的高效率電源設計領域之外，電子設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撲：標準 (或硬開關) 反激式 (flyback) 拓撲，和雙開關正激拓撲。這 兩種拓撲都很易于理解，而它們存在的問題，以及如何予以避免，業(yè)界都已有充分的認識。
不過，隨著對效率的要求不斷提高，這兩種拓撲將逐漸為三種新的拓撲所取代：準諧振反激式拓撲、LLC 諧振轉換器拓撲和不對稱半橋拓撲。準諧振反激式拓撲已被成功用于最低功率級到 200W 以上的范圍。在 70W-100W 范圍，LLC 諧振轉換器比準諧振反激式拓撲更有效。而在這兩個功率 級之上，不對稱半橋轉換器也很有效。
準諧振反激式和 LLC 諧振轉換器在嵌入式交流輸入電源中的應用越來越廣泛。
準諧振轉換器的實際工作范圍上從超低功率級到 100W 左右。對于集成式解決方案，7W/12V 電源的滿負載效率約為 81%；而對采用了帶外部 MOSFET 的準諧振轉換器的 70W/22V 電源，滿負載效率則超過了 88%。前者的待機功耗遠低于 150mW，后者的則小于 350mW。采用較低的輸出電壓，效率必然會迅速降到上述水平之下。一個 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。
準諧振拓撲還有一個好處是 EMI 遠小于硬開關應用的，其頻率將隨 400V 輸入電容上的紋波而變化，導致自然的頻譜擴展。此外，由于開關行為在較低電壓時發(fā)生，開關噪聲減小，故共模 EMI噪聲也相應減小。
LLC 諧振轉換器的實際工作范圍從 70W 左右到 500W 以上，帶有一個 PFC 前端的 FSFR2100 已用于實現(xiàn) 200W 到 420W 的電源。對于高達 200W 的應用，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，這時因為采用了 MOSFET (雖然 MOSFET 的控制信號不易產生)，因此無需散熱器。對于采用了肖特基二極管的應用，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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