电源工程师必看，离线开关电源 (SMPS) 系统设计保姆级教程 - 谷动谷力

自上个世纪以来，离线 SMPS 一直备受瞩目，相关研究层见迭出，并广泛应用在日常生活的方方面面。离线 SMPS 一般是指带有隔离变压器并由电网供电的开关电源，适用范围涵盖从65W 的笔记本电脑电池充电器，到数千瓦的数据中心服务器电源装置。

宽禁带半导体产品层出不穷，这让厂商可以根据实际情况自行采用新的拓扑来优化效率、尺寸和集成水平。新设计的控制器还有助于提高系统安全性、降低功耗并改善性能。

为了实现全球“零碳”目标，SMPS 必须满足更严格的效率标准，尽可能地降低能源消耗和碳排放。例如，为促进节能减排，欧盟执行委员会新发布的 CoC V5 和美国能源部的 DoE VI 对满载和轻载/空载时的功率损耗与效率提出了明确的要求。

目前主要有三类标准，其中包括安全标准和辐射标准。目前最新修订的 IEC 62368-1 第二版就属于安全标准，其中明确了绝缘、隔离、电气间隙、爬电距离等概念的定义。而 IEC 61000-3-2 则是一项国际辐射标准，通过规定从第 2 次谐波到 40 次谐波的谐波电流最大值来限制电源电压失真。这个标准适用于额定电流不超过 16A 的设备，额定电流大于 16A 的设备应遵循 IEC 61000-3-12。

为了促进节能减排，世界各地都制定了相关的法规标准，例如美国加州能源委员会制定的法规、能源之星认证以及欧盟的节能相关产品 (ErP) 指令等。美国能源部 (DoE) 针对壁挂式或桌面式外部电源发布了一套分级标准，其中 Level VI 是最新且最严格的标准；同时欧洲委员会的科学和知识服务机构“联合研究中心”制定了一套欧盟外部电源供应器 (EPS) 行为准则 (CoC)。

此外还有 80 PLUS® 计划，该计划致力于推动在 20% 至 100% 负载条件下实现 80% 或更高的效率，并在 100% 负载条件下实现 0.9 或更高的功率因数，其最高等级（即“80+ 钛金”标准）规定，在 20% 负载时效率至少要达到 92%，在 100% 负载时效率至少要达到 94%。

PFC（功率因数校正）是离线电源的关键组成部分。PFC 的主要任务是对输入电流进行整形并降低高频谐波电流，前者可以提高从主电源获取的实际功率，而后者能够减少与配电、发电及过程中重要设备相关的损耗和成本。THD（总谐波失真）是确定系统中线路电流质量的重要方法，经常作为功率因数的替代指标来使用。PFC 级的另一个重要价值在于能提供稳定的直流输出电压，这样便能为后续的隔离式 DC-DC 转换器提供范围较窄的直流输入，从而优化整体设计。

DC-DC 级的作用是通过隔离变压器和 PWM 或谐振转换器，将一定范围的输入电压转换为所需的直流输出电压和电流。DC-DC 级的关键挑战在于磁元件的设计。例如，趋肤效应和邻近效应会导致高频变压器出现涡流，影响磁芯材料的选择，引起磁芯损耗和铜损等。

这里有必要回顾一下经典工作模式，因为工作模式不仅影响拓扑的选择，还会影响整个系统的设计。CCM（连续导通模式）提供超低的峰值和 rms 电流，因此更多地用于功率水平较高的应用。在 CCM 下，电感电流纹波较小，但 MOSFET 会在升压二极管导通时接通。所以我们需使用低 trr 二极管来避免 MOSFET 导通时产生过大的损耗和应力。CrM（临界导通模式）非常适合低功耗应用。

在此模式下，电感电流会在达到零后开始下一个周期，并且频率会随线路电压和负载条件的变化而变化。CrM 的一大优点在于电流环路本质上比较稳定且不需要斜坡补偿。此外，电感电流在每个周期都会降至零，所以关断时二极管不会产生反向恢复损耗，就算使用较便宜的升压二极管也不会有损性能。同样，MOSFET 可以在低电压下导通，从而降低开关损耗。

通常在系统处于轻载时，CrM/CCM切换到DCM（断续导通模式），以确保较高的功率因数，并抑制因频率在过零点附近大幅升高而产生 EMI。

FCCrM（频率箝位临界导通模式）是安森美提出的一种方法，用于限制 CrM 电路的开关频率扩展。当转换器在轻载和/或线路电压过零点附近运行时，最大频率箝位会强制系统切换到 DCM。如果不采用这样的电路，CrM 开关频率将超过箝位上限，导致开关损耗增加。此时还需添加一个电路来补偿 DCM 产生的死区时间，使线路电流保持正确的波形。

宽禁带器件正在批量化生产，许多公司也随之推出（或即将推出）基于 SiC/GaN 的 SMPS。SiC/GaN 材料兼具反向恢复性能优异、热性能出色、工作电压及温度较高等诸多优势特性，可以让新系统提高频率并缩小 PCB 尺寸，甚至无需散热片或进行强制散热。但高频率可能会带来辐射、过冲等潜在问题，所以我们必须研发新的设计。

可以节省 PCB 空间并减少外部无源元件，从而能够提高功率密度和安装灵活性。例如，GaN HEMT 是中低功率电源（Pout＜1500W）的热门选择，可大幅减小最终产品的尺寸。在 dv/dt 可能超过 100V/ns 时，我们需要减小寄生电感。将 GaN HEMT 和驱动器集成在同一封装中可以降低引线和 PCB 引起的电感，从而获得更好的开关性能。

图腾柱PFC 降低由整流桥造成的损耗，因而在高功率密度产品中，它是比单升压更好的 PFC 拓扑。如今，LLC 凭借更宽的软开关范围、整个负载变化过程中较窄的频率范围以及较小的循环电流，成为中高功率应用的优选 DC-DC 拓扑。宽禁带半导体在这些新拓扑中发挥着关键作用，而智能低功耗控制器是关乎高效率的另一个重要因素。