随着我国工业的快速发展，开关电源逐渐地走上世界舞台，电源的体积也逐渐趋于模块化和小型化，电源的抗扰能力也越来越强。开关电源如何实现电压控制？内部结构是怎样的？下面带大家快速了解一下。

一、什么是开关电源

开关电源是开关稳压电源的简称，一般指输入为交流电压、输出为直流电压的AC-DC变换器。开关电源内部的功率开关管工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达75%~90%，比普通线性稳压电源（线性电源）提高一倍。

说到线性电源（如图1所示），它与开关电源的区别是什么呢？说的通俗一点就是线性电源的调压可以看成是调阻值调压，相当于调节滑动变阻器使电压发生改变。开关电源则可以看成是通过调节开关的频率而使电压发生变化。
 

图 1 线性电源
 

二、开关电源分类

l无工频变压器式开关电源

无工频变压器式开关电源是通过体积小的高频变压器来代替笨重的工频变压器，实验与电网隔离的。由于开关电源内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量很低，电源效率比普通线性电源提高一倍。
 

图 2 开关电源结构框图
 

l开关稳压器

开关稳压器是一种开关式集成稳压器，他将PWM控制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，稳压器效率可达90%以上，有的还能连续调节输出电压，适合制造从几十瓦至几百瓦的开关电源。

l单片开关电源

单片开关电源是将开关电源的主要电路都集成在芯片中，能实现输出隔离、脉宽调制及多种保护功能，其集成度最高。单片开关电源通过输入整流滤波器适配85~265V、47~400HZ的交流电。而且它具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，现已成为开发600W以下中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块化的优选集成电路。
 

图 3 单片开关电源模块
 

三、开关电源工作方式

开关电源按控制原理来分类，可以有以下4种分类：

1）脉冲宽度调制（简称PWM，即脉宽调制）式：简单讲就是通过调节脉冲宽度实现稳压目的，其核心是PWM控制器。这种方式开关电源的应用最为普遍，其占空比调节范围大，PWM还可以和主系统的时钟保持同步。

2）脉冲频率调制（简称PFM，即脉频调制）式：与脉宽调试类似，它是通过调节开关频率来实现稳压目的，其核心是PFM控制器。这种方式适合于便携式设备，它在低占空比、低频条件下降低控制芯片的静态电流。

3）脉冲密度调制（简称PDM,即脉密调制）式：其特点是脉宽恒定，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率开关管损耗。

4）混合调制式：它是PWM和PFM的组合。开关周期开关周期和脉冲宽度都可调

需要指出的是，PWM控制器既可作为一片独立的集成电路使用，也可被集成开关稳压器中，或集成在开关电源中。其中，开关稳压器属于DC-DC变换器，开关电源一般为AC-DC变换器。如图4所示：
 

图 4 单片开关电源构成
 

从图中我们可以看出去掉前端整流滤波部分就可以看成是DC-DC变换器，加上前端整流滤波部分就是一个AC-DC变换器。

四、开关电源基本原理

开关电源的基本原理如图5所示。主要由以下7部分构成：

1)输入整流滤波器，包括整流桥和输入滤波电容；

2)单片开关电源，内含功率开关管和控制器（含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器），MOSFET；

3)漏极钳位保护电路；

4)高频变压器；

5)输出整流滤波器；

6)光耦反馈电路；

7)偏置电路 ，给光耦合器的光敏三极管提供偏压。  
 

图 5 单片开关电源基本原理

 

五、原理分析

稳压原理分析如下：

当由于某种原因致使V上升，这时LED上的电流就提高，经过光耦器使接收管的发射极电流上升，进而使TOPSWITCH的控制端电流变大，占空比变小，导致V下降，从而达到稳压的作用。

六、总结

 从以上我们可以看出开关电源作为现如今电源界的娇子，它还有很长的生命周期，而且优势明显。从运行原理上看许多因素都会影响开关电源的质量，而且其他保护电路的增加也会使开关电源安全性得到更高保障，隔离的选取也会影响电源的反应程度。ZLG致远电子的电源模块考虑到广大企业界的电源需求，无论是电源体积还是电源安全性都做到极致，保证各大企业设计板电源电路稳定输出，提供电源设计支持，实现真正的客户与厂家的互动。

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基于超级结技术的功率MOSFET已成为高压开关转换器领域的业界规范。它们提供更低的R_DS(on)，同时具有更少的栅极和和输出电荷，这有助于在任意给定频率下保持更高的效率。在超级结MOSFET出现之前，高压器件的主要设计平台是基于平面技术。但高压下的快速开关会产生AC/DC电源和逆变器方面的挑战。从平面向超级结MOSFET过渡的设计工程师常常为了照顾电磁干扰（EMI）、尖峰电压及噪声考虑而牺牲开关速度。本应用指南将比较两种平台的特征，以便充分理解和使用超级结技术的优点。

为了理解两种技术的差异，我们需要从基础开始。图1a显示了一种传统平面式高压MOSFET的简单结构。平面式MOSFET通常具有高单位芯片面积漏源导通电阻，并伴随相对更高的漏源电阻。使用高单元密度和大管芯尺寸可实现较低的R_DS(on)值。但大单元密度和管芯尺寸还伴随高栅极和输出电荷，这会增加开关损耗和成本。另外还存在对于总硅片电阻能够达到多低的限制。器件的总R_DS(on)可表示为通道、epi和衬底三个分量之和：

R_DS(on) = R_ch + R_epi + R_sub

图1a – 传统平面式MOSFET结构

图1b – 平面式MOSFET的电阻性元件

图1b显示平面式MOSFET情况下构成R_DS(on) 的各个分量。对于低压MOSFET，三个分量是相似的。但随着额定电压增加，外延层需要更厚和更轻掺杂，以阻断高压。额定电压每增加一倍，维持相同的R_DS(on)所需的面积就增加为原来的五倍以上。对于额定电压为600 V的MOSFET，超过95%的电阻来自外延层。显然，要想显著减小R_DS(on)的值，就需要找到一种对漂移区进行重掺杂的方法，并大幅减小epi电阻。

图2 – 超级结MOSFET结构

图3 – 平面和超级结MOSFET的电压与导通电阻比较

图2显示了基于电荷平衡概念的超级结MOSFET物理结构。漂移区现在有多个P柱，用于消除处于反向偏压下的周围N区中的电荷。因此，N_epi现在可更薄和重掺杂，因为其组合结构可对施加反向电压提供高很多的电阻。由于N区变得更加重掺杂，所以其单位面积导通电阻减小。

图3比较了两种技术的漂移区电场与epi厚度的关系。在传统平面式MOSFET中，阻断电压由epi厚度和掺杂（N_D+）定义，或由掺杂线的斜率定义。如果需要额外阻断电压，不仅epi需要更厚，而且epi掺杂线也需要改变。这导致较高电压MOSFEET的R_DS(on)不成比例增加。额定电压每增加一倍，在保持相同管芯尺寸条件下，R_DS(on)可能增至原来的三至五倍。

对于给定的阻断电压，超级结MOSFET可使用比传统平面式器件（A1 + A3）更薄的epi（A1 + A2）。N区（N_D+）的掺杂被P柱（N_A-）的掺杂抵消，导致没有斜率。换言之，因为电荷平衡机制，定义阻断电压的只有epi厚度。因此，超级结结构的导通电阻和击穿电压之间存在线性关系。导通电阻随着击穿电压的增加而线性增加。对于相同的击穿电压和管芯尺寸，超级结MOSFET的导通电阻远小于传统平面式器件。

Vishay提供的超级结器件为E系列高压MOSFET，额定电压范围为500 V - 650 V。这些器件提供从小SMT占位面积（如PowerPAK^® SO8和PowerPAK 8 x 8）到标准TO-xxx封装的各种封装选项。典型比导通电阻的变化范围为20 mΩ -cm²至10 mΩ-cm²，具体取决于击穿电压和使用哪一代技术。传统平面式MOSFET的导通电阻x 面积之积有三至五倍高，同样取决于额定电压。例如，TO-220封装600 V器件可实现的最低R_DS(on)为275 mΩ，而来自Vishay的同样封装超级结器件可低至50 mΩ。当然，对于每一代新的设计平台，将来会提供具有更低R_DS(on)的更好器件。

容值

对超级结器件而言，电阻的减小会带来明显的好处，例如在相同R_DS(on)下的更低导通损耗或更小管芯。另外，芯片面积的减小会导致更低的容值以及栅极和输出电荷，这可减小动态损耗。在低压沟槽式或平面式MOSFET中，通常需要考虑以更高容值为让步条件来降低R_DS(on)。在超级结技术情况下，让步程度是最小的。电荷平衡机制可同时减小R_DS(on)和器件容值，使之成为一种双赢解决方案。

表1比较了具有接近R_DS(on)值的两种器件的特征。除E_as和I_as外，超级结器件的每个参数均实现15 % - 25 %的改善。这是因为超级结器件虽然R_DS(on)只减小了20%，但其管芯尺寸只有平面式器件的三分之一。更小的尺寸会影响额定电流和功率。大管芯尺寸具有更低的电流密度和更好的散热能力。因此，对于给定的导通电阻，传统平面式MOSFET天生比超级结器件更坚固。但在通常用于高压电源转换器的电流和开关频率下，超级结器件始终具有更低的损耗和更高的效率。

表2显示了500 V器件的比较。SiHG32N50D是一款具有125 m?典型R_DS(on)额定值的平面式MOSFET。其管芯尺寸大，实际上是适合TO-247封装的最大管芯。这可与采用更小的隔离式细引线TO-220F封装的超级结SiHA25N50E相比，后者提供相同的R_DS(on)，但除UIS坚固性以外，规格表的每个参数都更好。应当注意的是，Vishay在电感式开关规格降额方面相当保守，对测量故障电流施加100%的降额因子，相当于针对UIS能量E_as的降额因子为4。

图4定义了提供有电荷规格的器件的容值。对于上文比较的两种600 V器件，容值曲线如图5所示。请注意容值采用对数式标度。

图4 – MOSFET容值定义

图5 – 平面式SiHP17N60D和超级结SiHP15N60E MOSFET的容值比较

栅极电荷考虑事项

在任何开关电路中，栅极驱动设计都要考虑开关速度与噪声这一对矛盾。超级结器件在高压下提供高开关速度，这也需要特别注意驱动设计。设计不佳可能造成电压尖峰、开关不稳定和更高的EMI。与超低容值有关的另一个重要考虑是对耦合和噪声的灵敏性增加，表现为栅源振荡。设计工程师因此不得不通过引入高栅极电阻或低驱动电流来减慢开关速度，最终使系统效率降低。

图4和图5显示了来自该应用指南的栅极电荷曲线，它描绘了V_DS在栅极放电和充电时的上升和下降。通常，MOSFET的Q_gd可用于估计开关期间V_DS电压的上升和下降时间。假设用恒定电流源驱动栅极，则tvfall = Qgd / Igon，tvrise = Qgd / Igoff。

这种简单模型不能用于超级结器件，超级结器件的结构和开关行为更为复杂。例如，图6显示了SiHP33N60E的栅极电荷曲线，V_DS曲线叠加于其上。与平面式器件相比，超级结MOSFET的一个特征是其容值（V_DS的函数）的宽变化范围。在超级结MOSFET中，由于C_rss在0 V - 600 V范围内的100:1下降，所以观察到的开关持续时间远小于从产品数据表Q_gd值估计得到的数据。虽然没有分析方法可用来预测实际过渡时间（这取决于应用条件），但设计工程师应当知道可使用更低栅极驱动电流来实现优异的开关性能。与平面式MOSFET器件相比，这使超级结器件可使用尺寸更小、成本更低的栅极驱动器。

图6 – SiHP15N60E的栅极电荷与V_DS关系曲线

图7 – SiHP15N60E的容值和储存能量与V_DS关系曲线

Coss、Co(tr)、Co(er)和Eoss

图5还显示了超级结器件的C_oss低近40%，导致更少的储存能量和更快的开关速度，同时实现更低损耗。所有MOSFET的输出容值C_oss均表现出与施加电压V_DS有关的非线性特征。这种非线性在超级结MOSFET情况下更显著，具有100:1的变化率，电压值的范围为0 V - 600 V。这给需要针对C_oss储存电荷和能量有效值的设计工程师带来了挑战。超级结器件产品数据表通常提供针对C_oss的两个有效值，定义如下：

C_o(tr) - 定义固定电容的值，其在80%额定电压下具有与可变C_oss相同的储存电荷。

C_o(er) - 定义固定电容的值，其在80%额定电压下具有与可变C_oss相同的储存能量。

有几项研究都强调了储存能量E_oss在不同工作条件下对系统效率的影响。由于意识到这一重要性，Vishay已开始提供针对所有高压MOSFET的完整E_oss曲线，一直到图7所示的额定电压。

体二极管特征

由于具有更低的R_DS(on)和低容值，超级结MOSFET还是包括ZVS桥在内的所有高频开关应用的器件之选。在ZVS或同步应用中，MOSFET的体二极管不进行硬式整流。二极管电流经过软式整流后流向MOSFET通道，在MOSFET关断时二极管恢复电压阻断功能。但这并不意味着可以想当然地认为，在ZVS桥应用中，在包括瞬态事件在内的所有工作条件下都具有二极管恢复功能。更低的Q_rr、短势垒周期和软恢复特征仍然是重要的要求。与平面式器件相比，超级结MOSFET没有Q_rr 和t_rr较低的优点，因而更适合ZVS应用。但体二极管恢复阻断电压的能力被认为非常重要，所以应当进一步改善恢复特征。意识到这一需要，ViShay已推出EF系列超级结MOSFET，在制造中采用额外的工艺，使体二极管的Q_rr减小了5-7倍。

结论

超级结结构是高压MOSFET技术的重大发展并具有显著优点，其R_DS(on)、栅极容值和输出电荷以及管芯尺寸同时得到降低。为充分利用这些快速和高效器件，设计工程师需要非常注意其系统设计，特别是减小PCB寄生效应。超级结MOSFET具有低很多的栅极电荷，并可用低电流栅极驱动器驱动。其输出容值尽管是高度非线性的，但提供较低的储存能量E_oss及相关输出损耗。Vishay超级结器件提供各种封装、额定电压和体二极管特征，以适合广泛的应用需要。

本文作者：Sanjay Havanur和Philip Zuk

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