电源从真空电子管，线性电源到现在经历了很长一段时间。在对功率密度不断增长的需求驱动下（高功率密度可将更大功率和更多功能安装到更小的尺寸中，从而带来尺寸和物流上的优势），我们可以看到在近50年内，平均转换效率从大约70%提升至接近100%，如下图所示。

效率上的改进有助于开发更小，更轻的产品，同时降低运行成本，对资源保护和能源可持续性至关重要。但追求高转换效率带来的收益会逐渐递减。每一个百分比的提升将更难实现。让我们仔细看看我们如何能在今天实现电源的最大效率超过97%，以及我们明天要去向何方。我们离无损耗电源有多近？

• 电源变换器损耗机制总结

要了解提高电源转换效率所涉及的挑战，首先要了解主要的损耗机制。

一般来说，系统的效率定义为系统的输出功率与输入功率之比。输入和输出功率之差是损耗，即系统以热的形式消耗的功率。根据以下公式，只要电流在介质中流动，就会产生功率损耗。

I为电流，单位为安培。Reff为介质的等效电阻。电流流经电源内部实际等效电阻的原因有很多种，我们可以将其分为几大类。

半导体损耗：现代电源在控制电路和功率电路都使用半导体器件。这些半导体器件在关断状态下通过电流几乎为零（无损耗），在导通状态（根据等效导通阻抗Ron）以及从关到开切换期间（其等效阻抗从几乎无限大减小为Ron）下产生功率损耗。可以通过降低Ron，减少切换过程花费的时间（更快的开关）和减少切换频率（低频工作或burst模式工作）来降低损耗。

整流电路也是半导体损耗的重要组成部分。这些元器件在导通状态下会产生功率损耗，与其正向压降成正比，在反向恢复期间驱动载流子离开耗尽层也会有损耗。降低PN结正向电压存在物理限制，无法通过结构方式（如加大封装或元件并联等）来解决。这些损耗在低电压，大电流电路（如低压直流电源的二次侧）中尤为明显。最好的解决策略之一是采用“理想整流电路”，使用带有控制电路的MOS管来模拟二极管，这种做法通常称为同步整流。

磁损耗: 电源严重依赖磁性元件进行滤波，以及在与电网连接的原边和与用户负载关联的副边之间提供隔离。电感和变压器的损耗可能非常大。需要相对较长的导电材料来实现所需的结构形状，而绕组的电阻与其材料长度成正比。趋肤效应和临近效应使得电荷沿着绕线的表面流动或偏向某一部分导体流动，导致损耗增加，而且随着频率升高，其分布会更不均匀，损耗进一步加大。

磁性材料也存在阻抗，并且随着其中的磁场交替变化，该阻抗上会感应出电势，电流开始流动（称为涡流）并以热的形式耗散功率。交变场中的磁性材料也会产生磁滞损耗。每次场方向改变时，都需要能量来重新进行定向磁芯中的原子。可以通过使用低阻抗的绕组（更大的横截面积和表面积），以及使用低磁阻高电阻的磁芯材料和结构，来降低损耗。采用层叠式磁芯或粉末磁芯可以将感应电势分散到低电阻的小段上进一步降低损耗。磁滞损耗与开关频率相关，更少的转换次数会导致更低的损耗，但作为电源中最大和最重的器件，低频工作下不利于优化尺寸。

其它损耗: 电源的各种其它功能也需要能量来进行，比如开关的打开和关闭，电压和电流的测量，以及依据测量的结果对电源输出进行调节。开关电源的噪音也很大，需要进行大量的滤波以符合辐射发射限值并给负载提供清洁，低纹波的直流电压。虽然这些滤波器件由无功元件组成，但没有理想的无功元件，能量在电容和电感中相互交换时，其中的寄生电阻会消耗能量。

• 效率提升

从20世纪初我们使用的通过故意浪费能量来调节负载电压的高损耗线性电源，到现代的采用超低损耗半导体、磁性材料和智能控制方案的谐振开关电源，转换效率一直有实质的提升。电源设计人员一直在通过拓扑结构的选择，控制技术和元器件选择方面的组合优化来降低主要的功率损耗。

拓扑结构:

开关模式的功率转换可以在不连续的时间段内（通过低通滤波电路）将输入连接到负载，而不是简单的将两者之间的差作为热量损耗掉，在20世纪50年代，首次引起了工程界的大量关注。这个理论概念在大约30年的时间内几乎没有实际应用。开关模式为大量的转换拓扑打开了闸门，这些转换拓扑也在一直变得越来越高效。

近年来，谐振拓扑，如LLC谐振电路，由于其使用软开关（当通过元器件的电压或电流为零时进行开关切换）而越来越受欢迎。借助零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），半导体的开关损耗几乎完全得到缓解，从而使开关频率提高，电源尺寸缩小。这些高效拓扑的设计和分析比传统的开关模式拓扑（如正激式或反激式）复杂得多，这也是其较晚被广泛采用的原因之一。第一个谐振转换器的设计可以追溯到20世纪80年代后期，但直到高功率密度的需求达到硬开关拓扑的物理极限，这些更复杂的拓扑才开始受到关注。

控制:

越来越多可选择的节能控制IC货架产品继续推动了低成本、高效率电源的发展。提高电源效率的最具挑战性的领域之一是在轻载运行时，这时电源输出功率与静态损耗功率处于同一数量级。在该条件下提高效率的唯一方法是进一步减少静态损耗。具有智能轻载开关方案（频率降低和/或非连续模式）的低功耗控制器变得势在必行。

定制化数字控制（通过嵌入式微处理器）正变得越来越普遍，尤其是在大功率产品线中。电力电子设计团队中经常可以看到软件工程师。精确定制化的控制为电源设计人员提供了额外的自由度，可最大限度的节约能源。

元器件:

当我们优化了拓扑结构和控制方案，电源的效率与元器件息息相关。最近，由于宽带隙（WBG）半导体的发展，功率转换效率取得了很大进步。使用氮化镓和碳化硅等材料，半导体制造商可以实现极低的导通阻抗和超快速的转换速度。制造工艺的改进使得低阻抗的绕组被广泛使用，如利兹线或扁平绕组，降低了磁性元件的损耗。在高纹波电路中使用低ESR电容也能少量的降低功率损耗，并显著地缩减产品尺寸。

• 电源效率的未来

通过运用最新的拓扑结构，控制技术和新材料元器件，如今的开关电源可以很容易实现95%以上的平均转换效率。随着对设备小型化和轻量化的持续追求，电源效率仍需要不断进行提高。虽然实现100%效率是不可能的，但电源设计人员仍在继续挑战极限。借助于新的元器件，在设计、工艺制造等团队的持续努力下，TDK-Lambda新推出了CUS600M系列（效率高达96%）,TPF45KW (效率高达98%),和 ixx系列 DC-DC 模块电源 (效率高达98%)等高效率电源产品。