优化开关电源轻载能效的设计方案

由于拥有较高的效率和较高的功率密度，开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。特别是随着控制芯片的应用，开关电源的电路设计得到了极大的简化，往往只需要在脉宽调制（PWM）控制芯片的基础上再加一些外围器件即可组成开关电源，这更加促进了开关电源的设计和发展。从种类来看，开关电源主要包括交流-直流（AC-DC）转换器和直流-直流（DC-DC）转换器两大类型。前者是将输入为50/60Hz的交流电经过整流、滤波等步骤将其转换为直流电压，后者广泛用于对系统中的直流电源进行转换和分配。

根据拓扑结构的不同，DC-DC转换器包括降压（Buck）、升压（Boost）、降压-升压（Buck-Boost）、反激（Flyback）、正激（Forward）、推挽（Push-Pull）、半桥（HB）和全桥（FB）等不同类型。不同类型DC-DC转换器的特点各不相同，并且往往有着不同的适用领域。例如，降压、升压和降压-升压转换器非常适合于无需电气隔离的低压控制应用，而反激式转换器则非常适合多输出、高电压的电源应用，这些应用中使用的离线式开关电源工作在110V/220V主电源，并通过使用变压器来取代滤波电感从而实现电气隔离。

对于离线式开关电源而言，低成本是它的一个重要目标。对于其中所用的PWM控制器而言，设计人员可以选择不同的架构，如固定频率（FF）和准谐振（QR）等。对于前者而言，它的开关频率固定，其轻载能效和满载能效都处于正常范围，工作模式方面可以是连续导电模式（CCM）或非连续导电模式（DCM）。对于后者而言，它的开关频率可变，其满载能效最佳，但在轻载时则由于谷底跳变问题（噪声），它的工作模式是边界导电模式（BCM，亦称临界导电模式，CRM）。在变压器尺寸方面，固定开关频率架构属于正常，而准谐振架构则较大；但准谐振架构的电磁干扰较小，而固定开关频率架构则较大。对于这两种架构而言，都面临着相同的问题，就是必须提升在更宽输入负载范围下的能效，并改善待机能效。

除了这两种架构，固定导通时间（FON）架构近年来越来越多地受到业界瞩目。在这种架构下，峰值电流保持恒定，且可由用户选择；而开关频率则会变化（改变关闭时间），以提供所需的输出功率，它在频率最高时提供的输出功率也就最大。FON的工作原理如图1所示。