如何提高开关电源效率？

1.一般原则

1）所设计的开关电源应工作在最大占空比（D_max）下。对于85～265V交流输入电压；D_max值选60%；对于100V/115V交流输入电压，D_max值选40%；对于反激式变换电路，D_max值选50%；对于正激式变换电路，D_max值选45%；其他形式的变换电路一般都选50%。

2）降低一次电感L_P，以减小一次峰值电流I_P和有效电流I_RMS。高频变压器应工作在连续模式下，不要运用不连续模式。

3）高频变压器的二次侧应采用多股并联的“三明治”绕制方法，最好不用逐步分离式绕法。

4）选用低损耗的磁心材料。在安装空间允许的条件下尽量选用较大尺寸的磁心，同时还要选用合适的磁心形状。

5）整流桥的输出电流必须大于开关电源的额定电流，否则电源的功率损耗增大、效率下降，严重时达不到所设计的输出功率。

6）为了抑制尖峰电压和电磁干扰，电源必须设有一次侧钳位保护电路和电磁干扰滤波器。

7）电源整流电路中滤波电容的容量和耐压值要有一定的富余量。交流输入电压为85～265V时，选用电解电容的容量与输出功率有一定的比例，这时可选用3.3μF/W电容；固定输入电压为110V/115V时选用2μF/W电容；对于230V交流输入电压，选用1.5μF/W电容。

8）二次侧输出整流二极管的标称电流是连续输出电流典型值的3倍；整流二极管的标称电压是连续输出工作电压的2倍。整流二极管的反向恢复时间越短越好，一般在10ns以下，宜选用肖特基二极管。

2.具体原则

（1）从电路设计开始

选用合适的工作频率（f）、恰当的占空比D_max。长期工作实践证明，工作频率的高低对开关电源的工作性能有很大的影响。开关电源的各种变换形式对工作频率的要求也不一样。各种变换形式的实例已在第3章作了阐述。

只有适量地提高一次电感L_P，才能提高电源的效率。这是因为一次电感L_P增加后，可以降低一次峰值电流L_P和有效电流I_RMS。这样通过变压器耦合，使二次侧输出至整流二极管和滤波电容的损耗下降，同时还能使变压器漏感的能量损耗下降。有公式：

式中，f是开关电源的工作频率；I_PK是变压器一次侧的峰值电流；L_P是变压器一次电感；P_o是开关电源的输出功率。

上式表明，输出功率与高频变压器的一次电感成正比关系。需要指出的是，增加了一次电感L_P之后，也减少了I_RMS，其结果还必须降低开关管漏极保护电路上的损耗，所以在设计开关电源电路时，还应设计由瞬态电压抑制器和超快速恢复二极管组成的缓冲网络吸收回路。它的作用一方面是吸收变压器一次侧的漏感和二次侧对一次侧的反向漏感；另一方面是保护开关功率管免受反向峰值电压对其造成的损坏。

（2）元器件选择

在研制开关电源时，不仅要设计好开关电路，还必须正确地选用元器件。这些元器件大致包括：一般元器件，这里有电阻、电容、整流桥或整流二极管、晶体管、稳压管等；特殊的半导体器件，有可调式精密稳压源TL431、瞬态电压抑制器TVS、超快速恢复二极管SRD、肖特基二极管SBD、电磁干扰滤波器、光耦合器、熔断电阻器、自动恢复开关、负温度系数热敏电阻等；开关电源集成控制芯片，它将各种功能、多回路控制电路集成在一块芯片上；最后是磁性材料，这种材料常用在脉冲变压器的磁心、输出滤波电感的磁棒、输出电路上的磁珠、高频变压器上的铁氧体磁心中。要全面地了解所有元器件的特点、种类、主要参数以及选用的原则。比如说，开关电源输入电路的EMI滤波电容、钳位电路的电容应该选用耐高温、耐高压的陶瓷电容或聚酯薄膜电容。开关功率管一般选用MOSFET或IGBT。二次侧输出整流二极管应选用超快速恢复二极管或肖特基二极管。

（3）高频变压器的制作工艺

降低高频变压器的损耗，是提高电源效率的一项重要措施。一个高性能的高频变压器应该具有较小的铜损和铁损。所谓直流损耗就是铜损。为了降低铜损，应使用较粗的铜线。这是因为：

P_Cu=I²_P（R_P+R_S′）(www.xing528.com)

式中，P_Cu为高频变压器的铜损（W）；R_P是高频变压器一次侧直流电阻（Ω）；R_S′是高频变压器一次侧高频率工作的阻抗（Ω）。

可见，变压器线绕电阻越大，铜损也越大。

交流损耗是由于高频电流的集肤效应所产生的损耗。高频电流通过导线时，按右手定则，将在导线上产生逆时针方向的磁力线，磁力线也将引起涡流。这样加大了导线表面电流，抵消了中心电流。这种电流在导线表面流动，中心无电流的现象称为集肤效应。由于磁动势最大的地方是邻近的周围，因此称之为邻近效应。集肤效应的集肤深度为

式中，Δl为穿透厚度（mm）；，为材质常数，在20℃时铜的K值取1；ρ为工作温度下的电阻率；ρ_C为铜在20℃时的电阻率，取1.724×10^-6Ω·cm；μ_r为导磁材质的相对磁导率，非导磁材质的μ_r值为1；f为高频变压器的工作频率（Hz）；K_m为物质和温度有关的常数（例如铜在100℃时，K_m=75；20℃时，K_m=65.5）。

上式说明，选用高频变压器导线时不能只注意电流的大小，还要根据高频变压器的工作频率以及绕制变压器的有效参数来确定。

所谓铁损是指高频变压器的磁心损耗。这种损耗也使得电源的效率降低。铁损是指选定磁感应强度下单位体积的铁损与铁心体积的乘积：

P_Fe=P_VV_e

式中，P_V是单位体积的铁损（W/cm³）；V_e是磁心体积（cm³）。

铁损很难计算得十分准确，一般只是凭经验估计。如高频变压器在连续模式下工作，它的工作频率在100kHz时，铁损为30～50mW/cm³。

为了降低铁损，在开关电源空间允许的条件下，可适当选用较大尺寸的铁氧体磁心。选用时还要注意的是：磁性材料经充磁后很容易退磁（即我们所说的软磁性），其矫顽力很小，它的本性很脆，所以不能随便碰撞，不然就会破碎。

在绕制变压器时应注意绕制工艺，“三明治”绕法和堆叠式绕法是经常使用的方法。“三明治”绕法是针对二次侧只有一路输出的高频变压器而言的；堆叠式绕法是针对二次侧有3路以上输出且输出电压不同的变压器而言的。还要注意的是绕制变压器的框架两端必须有2mm的安全距离，就是所谓的挡墙。每个绕组进、出线的引线要短，并且要有高压套管加套在引出线的端头，这一切为变压器耐高压绝缘打下了基础。当然还要在变压器的级间或层间垫上高强度绝缘胶带。总之，为减小高频变压器的损耗，提高开关电源的效率，必须采用合适的磁心材料、合理的导线线径、恰当的绝缘屏蔽和科学的绕制工艺。这4条要求达到了，高频变压器的质量自然也就提高了。

（4）减小高频变压器的漏感

设计高频变压器时必须想办法把漏感降到最小，因为若漏感较大，变压器在工作时产生的尖峰电压的幅度很高，钳位电路的损耗就很大，其结果必然是开关电源的效率下降。怎样减小变压器的漏感？怎样降低反向耦合的峰值电流？

可增加各绕组之间的耦合，尤其是一次侧与二次侧主输出绕组之间的耦合。为了达到这一目的，应减少各绕组之间的绝缘层，增加绕组的高度比，增加绕组的宽度，这些是由所选择的磁心型号决定的。一般EE型磁心可以使绕线的宽度大一些，EI型磁心要小1倍。另外，可减少一次绕组的匝数N_P，因为一次绕组的匝数少了，一次电感量就小了，自然漏感也就小了。漏感量与一次绕组匝数的二次方成正比。一次绕组的匝数少了，二次输出纹波电压也小。如果设计的一次绕组匝数能以两层或不到两层将所选磁心的长度绕完，这将使一次漏感和分布电容减至最小。所以，采用瘦长磁心而不用胖短磁心就是这个理由。用三重绝缘线时，不需加挡墙，绝缘层之间也不用加绝缘胶带，电流密度大。用三重绝缘线绕制的变压器比用漆包线绕制的变压器的体积要小一半，漏感量大为减小。但是三重绝缘线的成本高，一般要求不高的小功率开关电源不用这种绕线。

对于多路输出的开关电源，一定要使输出功率最大的一个绕组靠近一次绕组，如果两个二次绕组的输出功率都比较大，应当把一次绕组夹在这两组二次绕组中间，只有这样两个二次绕组才能同样得到磁场的强耦合，降低了由于耦合不佳所产生的漏感。“三明治”绕法就是基于这一理论。

在开关电源的工作过程中，由于高频变压器的匝间和层间分布电容的存在，被调制的脉冲高频及电压谐振频率反复进行充放电，被吸收了部分能量，降低了电源效率。分布电容与分布电感形成了LC振荡，会产生振铃噪声。一次绕组的分布电容的影响更为突出。为了减小一次绕组分布电容，在设计电路时可将一次绕组的始端接到开关管的漏极或晶体管的集电极上。这一措施可使一次绕组起到屏蔽作用，也减小了分布电容在变压器工作期间产生的振铃噪声和其他一些不好的作用。

开关电源通电后，高频变压器磁心EE、EC之间由于产生吸引力而发生位移；绕组电流相互间的引力或斥力也使绕组产生偏移。发生这种位移或偏移的结果是使高频变压器发出音频噪声。为了消除这种音频噪声，就要想办法使磁心不产生位移，通常以玻璃球粘合剂将磁心的两对结合面（磁心的中间磁柱常留有气隙）粘结在一起。这种玻璃球粘合剂是用玻璃球和胶着液按1∶9的比例配置而成的混合物，在100℃以上的温度中放置1h即可固化。这对磁心发生形变起到固定作用，以免出现偏磁。

开关电源变压器是在高磁场下完成电能传送任务的，泄漏磁场对相邻电路造成干扰是很有可能的。为了防止这种现象出现，可将一个铜片环绕在变压器外部的一端，构成一条屏蔽带。该屏蔽带相当于一只短路环，能对泄漏磁场起到屏蔽作用，屏蔽带应与“地”接通。短路环两端不能直接焊接，应当留有间隙。

高频变压器要尽量降低损耗，尽量减小漏感，尽量降低音频噪声，尽量缩小变压器的体积。