高效率电源为何需要软切换技术

3月 16, 2010

Efficiency 博士：

最近做高效率电源的时候，常听到软切换(soft switching)这个名词。请问什么是软切换？为什么高效率电源都要做软切换呢(soft switching)?

亲爱的甄歆仁：

    我想这要先从功率损耗的观点来切入您的问题。既然要做高效率电源，那么降低功率损耗便是一个很重要的部份。对于半导体开关而言，功率损耗主要来自于传导损失（conduction loss）和切换损失（switching loss）。一般没有对切换方法做特殊处理的转换器，常用的返驰式转换器（Fly-back converter）或顺向式转换器（Forward converter），主开关在切换的时候，必须中断当时流过整个功率组件的电流，因此会产生很高的切换应力，乃至正比于切换频率的切换损失。这种损失在现今追求轻、薄型的高效率电源趋势下，会显得更加严重。

图一，开关切换时电压电流交越的功率损失

为了降低重量缩小体积，切换频率的提高是必然的结果，但随之而来的就是较高的切换损失所造成的散热问题。

 切换损失可以分为以下三种：1. 电压电流切换时的交越损失；2.半导体开关上的寄生电容损失；3.半导体开关逆向回复时间的损失。

图二 导通时切换损失

图三 截止时切换损失

无论是以上哪种损失，均与切换当时的电压以及电流有着不小的关联。既然如此，那我们利用特殊的控制方式或是拓朴结构，降低在切换当时开关上的电压电流，就可以达到降低切换损失的目的。而这种降低切换时开关电压或电流的方法就统称软切换（Soft-switching），其中又可分为波谷切换（Valley switching），零电压切换（Zero voltage switching）以及零电流切换（Zero current switching）等。

 那么，为什么高效率电源都要做软切换呢？我想答案很显而易见。对于相同的组件以及输出功率下，理论上采用软切换可以有效的降低开关组件上的损失，损失减少了，自然效率就能够提高。目前很多IC厂都有出各种控制方式的IC以达到降低切换损失的目的，以Fairchild为例，有波谷切换的FAN6300A，FAN6921MR，零电压切换则有FAN7621、FSFR-series for LLC、FSFA-series for AHB等。若你有兴趣，详细的控制方式下次我们再探讨吧。

让电源变得更“绿”

3月 14, 2010

作者：Steven Sapp, Ritu Sodhi and Sampat Shekhawat

飞兆半导体在每一期Benchmarks季刊中都会介绍用于功率和模拟应用的新产品、窍门和工具。在2010年第一期Benchmarks的“Engineering Connections”专栏中，我们将探讨采用反激式拓扑的高效解决方案如何能够满足现今全球范围的降低电源功耗之需求。

外部电源适配器是大部分小型电器必备的配件，而根据行业预测，目前全球使用的电源适配器多达32亿个。

由于节能业已成为全球关注的课题，规管机构正在寻找所有能够“实现环保”的方法，并已制订标准，规定笔记本电脑电源等产品必须达到较高的能效水平。业界已公认反激式拓扑无论在成本和技术方面都具备相当的优势，是能够为这些产品提供脉宽调制(PWM)功率转换的高效解决方案。飞兆半导体全面的PWM控制器产品系列，正好能够提升反激式转换器的性能。

飞兆半导体了解到全球对节能的关注，开发了一系列PWM控制器产品，可让笔记本电脑电源设计人员满足严苛的国际节能规范要求，包括强制要求工作模式下最低平均效率达到87%的能源之星(ENERGY STAR)外部电源 (External Power Supply, EPS) 2.0版规范。

相比其它替代解决方案，集成式PWM控制器(如FAN6754)可为设计人员提供高启动电压，将轻负载条件下的能效提高25%。同时，它还并入了过压、过流与过热保护功能，以及电压过低和线路补偿功能，可以省去外部保护电路。飞兆半导体PWM控制器的其它优势还有能够降低EMI多达5-10 dB的抖频(frequency hopping)功能，以及内部软启动(8ms)功能以减低MOSFET在启动时的电压应力。

此外，飞兆半导体的PWM控制器加入了数项设计功能，能够降低笔记本电源适配器的总体功耗，例如提供关断时间调制以连续减低轻负载条件下的开关频率的专有绿色模式功能。飞兆半导体的PWM器件内置了多种稳健、精确的保护功能，可保护电源和负载避免故障，而且完全无需增添外部组件或电路。

标签：Benchmarks, Energy Efficiency, Fairchild Semiconductor, flyback converter, Green, PWM controller