【導讀】能源效率在電源設計中一直扮演著非常重要的角色。低效率的電源，以及不可忽略的功率損耗，會給系統和最終用戶帶來額外的成本。我們不要忘記，對更高效率水平的追求已經導致了從線性調節器到更高效的開關技術的轉變，特別是在電力應用中。現在讓我們詳細了解一些可以提高開關電源（SMPS）效率的技術。
主動糾偏
同步整流器，也稱為有源整流器，用于提高二極管整流電路的效率，二極管整流電路通常存在于開關電源中。通常的半導體二極管被有源元件取代，通常是BJT或MOSFET功率晶體管，它們被制成開關頻率，以允許將交流輸入電壓轉換為直流電壓。這些整流電路稱為同步電路，因為開關必須與輸入波形同步。同步整流（SR）技術可以提高效率、熱管理、功率密度和可靠性，降低電源的總體成本。圖1的上半部分顯示了帶整流二極管的buck變換器的經典方案，而在同一圖的下半部分，肖特基二極管被MOSFET晶體管取代。有源整流器的優點是它的傳導電阻和壓降比二極管低得多。MOSFET晶體管是二極管的理想替代品，因為它們的RDS（on）非常低，低至幾十毫歐姆或更小。因此，這個電阻上的電壓降比二極管上的要低得多。SR技術的缺點是它需要一個能夠確保MOSFET開關和輸入波形之間同步的控制電路。
圖1：SR技術的應用示例
緩沖器和鉗位
該緩沖電路具有減小電壓尖峰幅度和降低電壓變化率（dV/dt）的功能。其效果是減少開關損耗和射頻發射。鉗位執行的功能要簡單得多；也就是說，它只是降低電壓尖峰的振幅，而不利于發射電磁波。在圖2中，我們可以看到典型的鉗位和緩沖電路的例子，而圖3顯示了它們對波形（電壓）產生的影響，其特征是波紋加劇。
圖2：鉗位和緩沖電路示例
圖3：緩沖器和鉗位產生的效應
有源鉗位電路
反激變換器結構簡單、價格低廉，但由于開關晶體管所承受的高壓應力，其在低功率應用（小于100w）中的應用受到限制。當開關接通時，反激變換器將能量儲存在變壓器的初級繞組中。在“關閉”期間，能量被傳輸到二級，然后從那里傳輸到輸出。電流在一次繞組和二次繞組中同時流動，但決不會同時在兩個繞組中流動。圖4顯示了一個反激式變換器的結構，其有源箝位電路由晶體管和電容器組成。與傳統的阻容二極管（RCD）相比，有源鉗位可以在固定的開關頻率下實現晶體管的零電壓開關（ZVS），提高了效率和EMI。
圖4：反激變換器中的有源鉗位電路
準諧振電路
將準諧振拓撲應用于開關電源中，以減少或消除頻率相關開關損耗，從而提高效率，降低器件的工作溫度。這種技術的缺點是在低功耗下產生更高的損耗，這一缺點被幾乎所有現代電源中存在的頻率鉗位電路所消除。準諧振變換器通常包含L-C網絡，其電壓和電流在開關期間呈正弦變化。現在考慮經典的buck轉換器方案，如圖5所示。為了方便起見，包含MOSFET晶體管的開關電路已用“開關網絡”塊表示。
圖5：一個典型的buck轉換器的示意圖
在圖6中，我們可以觀察到“交換網絡”塊的兩種不同配置。第一種對應于由PWM信號控制的傳統開關網絡。另一方面，另一方面，由于L-C網絡的引入，電路增加了準諧振功能。零電流開關是這些變換器的主要優點之一，因為它可以減少開關損耗。此外，準諧振變換器能夠在比類似的PWM變換器更高的頻率下工作。
圖6：準諧振buck變換器
功率因數校正
功率因數（PF）定義為實際功率與視在功率之間的比率。在離線電源（即直接連接到交流電源的電源）中，電流和電壓都是正弦的。因此，PF由輸入電流和輸入電壓之間相位角的余弦給出，是電流對負載實際可用功率的貢獻程度的指標。例如，PF等于1表示100%的電流為負載供電。國際法規對由電源電壓供電的許多設備（如電視電源、照明用電子鎮流器和電機控制電路）的輸入電流中的諧波含量進行了限制。設計合理的PFC級可確保電流始終與交流輸入電壓相一致。圖7顯示了三種不同的主動PFC拓撲。最便宜的PFC解決方案無疑是boost拓撲，而buck-boost PFC解決方案能夠提供輸出隔離和可調輸出電壓。在三種方案中，buck拓撲提供了最低的PFC。
圖7：有源PFC的拓撲結構
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