小小的电源开关可如何拯救世界

　　几乎所有功耗超过1W的电子产品都带有开关模式的电源子系统。事实上，也很难想象有任何产品不是这样。为了提高应用产品在整个生命周期上的效率，且降低成本，业界尝试了大量的拓扑结构和控制方法。其中，对电源开关进行改进所获得的效果仍然是最大的。而最新一代的功率MOSFET和IGBT可实现最高水平的集成度，能够满足并超出业界日益强制性的新能效规范，从而改变了应用前景。

　　从生态设计环境来看，一个产品从原材料开始，经过产品设计和生产，然后运送到终端客户手中，继而使用、回收，再加上后续消耗，其总价值链相当长。在这个生命周期的每一个阶段，必须考虑到能耗和有害废物的产生，并对其影响进行量化。“有害”的排放物包含热、废水、温室气体、工艺化学材料等，在运输和使用阶段温室气体排放更多，而在回收处理时会产生更多的化学物质和垃圾。若以金钱来量化上述所有影响，并将之累加起来，其总和被称为“生命周期成本 (lifecycle cost)”。

　　显然，在这个例子中，少即是多。应该怎么做呢?由于一般通过提高工作模式和待机模式下的效率可获得最大效果 (至少对耗能产品如此)，故我们必须把注意力转向电源和电动电机。

　　我们日常生活中的大多数应用产品都包含了功率转换或运动控制子系统，如图1所示。把这种应用前景一分为二有助于解决问题。

　　功率转换子系统主要解决所有AC-DC和DC-DC转换问题。在常用拓扑中，绝大多数都是利用开关模式转换电路把一种直流电转换为另一种直流电。即使是在脱机电源中，输入端的首要部件之一也是整流器，因此，严格来说，大多数情况下，AC-DC电源实际上就是一个DC-DC转换器。

运动控制子系统的基本工作原理截然不同。在这里，输入是直流电用于产生交流波形，这种适当的波形使电机转动。有时这些系统可以称作DC-AC，有时它又被称为变频器。大部分电机都有三相，这些逆变器带三个输出端，仍使用开关模式电路来生成相移波形，供电机所用。三相实际上是确定旋转方向并使电机从要求的方向开始 (DC有刷和开关磁阻电机例外) 所需的最小相数。

　　图1 大多数应用产品都包含功率转换或运动控制子系统

推动这三者进步的主要驱动力量是所用开关和控制电路的性能提高;电源电子系统集成度不断提高的趋势;以及设备制造商价值链的改变。例如，许多制造商视电源为畏途，因为它难以设计、成本高，而且产热，却没有增加终端产品的销售优势，也没有增加其功能性。厂商更关注的往往是产品中对他们更重要的其它方面。在这些情况下，电源设计必须诉诸于其它地方，而半导体供应商能够通过提供出色的解决方案支持在此发挥重大作用。

开关模式拓扑已使用了很长一段时间，但电源开关中仍然有大部分能量流失，改进这些设计的主要潜能在于改进电源开关。有趣的是，在过去几十年间，电源开关的特性逐步提升，转换电路的选择也在不断发展和改变。今天，反激变换器开始用于150W及以上领域，过去至400W的功率范围是由全桥转换器来实现的，现在采用半桥转换器就可以解决。此外还有控制电路和无源元件的进步，新的控制方案和更严格的公差让谐振拓扑得以广泛运用，能提高效率，并进一步降低电磁辐射。

　　开关模式拓扑的工作原理

右图展示了开关模式转换器的基本概念。其中，开关周期性地导通和关断 (如在60或100kHz)，产生的平方波被转换为较低电压。由于开关 (理想上) 是完全导通或关断，故开关产生的损耗 (导通损耗、开关损耗和栅极驱动损耗) 很小。在这一过程中，理想上电感是不会产生损耗的，但实际上仍存在很小的损耗 (线圈磁芯和阻抗)。二极管是所谓的续流二极管，允许电感上有持续电流流过。

如该图所示，矩形波形下方的面积对应着输出波形的相同面积，但在后者中所有矩形波都连接在一起而产生一个平滑的输出电压。在这种拓扑的前一代结构即所谓的线性稳压器中，开关的功能是由可变电阻所实现的，而且没有电感。电阻值必需随线路和负载的变化而变化，一般有一个有源控制电路根据输出电压对之进行驱动。损耗与I?R成正比，随电流与输入/输出电压的差值增加而增加，并且增加速度非常快。

过去20年中，器件领域取得了巨大的进展。双极型晶体管已为MOSFET所取代，后者的RDSON和稳定性更好，更有双极型晶体管和MOS相结合构成的器件，即所谓的IGBT。

　　图2 垂直平面型MOSFET的横截面—原理示意图，横截面图

绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT) 虽然包含了两个元件而非一个，却没有因此而更复杂。

图3 右边的符号图简单阐明了双极型晶体