提高有功模式效率以滿足“能源之星”要求
圖4 先進(jìn)的雙面冷卻power33封裝
還有一點(diǎn)非常重要,就是不僅要考慮在滿載條件下以更低的Rds(on)來(lái)獲得更高的效率,還需考慮輕載條件下Rds(on)×QG(TOT)或品質(zhì)因數(shù)(FOM)。
輕載條件下,Rds(on)沒有那么重要,大部分損耗是由柵極驅(qū)動(dòng)損耗造成,其為柵極電壓平方的函數(shù)。
優(yōu)化MOSFET的柵極電壓也十分重要,因?yàn)槿魱艠O電壓增加,MOSFET的導(dǎo)通阻抗就會(huì)下降。不過,當(dāng)柵極電壓增加時(shí),所需的柵極電荷Qg也隨之增加。柵極驅(qū)動(dòng)功率P=Qg·V·F,這里,Qg為柵極電荷,V為柵極電壓,F(xiàn)是頻率。
輸出二極管損耗
2A/500mV標(biāo)準(zhǔn)肖特基二極管的傳導(dǎo)損耗大約為1W。若正向電壓降(VF)減小200mV為300mV,損耗可降至600mW,即功耗減小約400mW。對(duì)于電流較大的低壓應(yīng)用來(lái)說(shuō),用Rds(on)為10mΩ的同步MOSFET來(lái)代替肖特基二極管也是一種可選方案。
工作頻率控制
另外還有一些能夠減小控制器開關(guān)頻率的技術(shù),可用來(lái)降低待機(jī)模式下的功率半導(dǎo)體開關(guān)損耗。
其中一種技術(shù)是通過降低電源的頻率來(lái)減小開關(guān)損耗,從而提高低功率工作模式下的效率。
圖5 脈沖頻率調(diào)制
開關(guān)模式電源有兩種工作模式:脈寬調(diào)制(PWM)模式和脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式。在PWM模式下,開關(guān)頻率是固定的。通過改變電源的占空比來(lái)控制輸出電壓。
在PFM模式下,通過隨線路和負(fù)載條件的變化而改變開關(guān)頻率來(lái)控制輸出電壓。這時(shí),開關(guān)頻率與輸出功率成比例。在輸出功率很低時(shí),開關(guān)頻率降低,開關(guān)損耗減小,效率提高。PFM控制器的靜態(tài)電流消耗只限于其基準(zhǔn)電壓和誤差比較器的偏置所需的電流。不過,PWM控制器始終帶有一個(gè)有源振蕩器,即使在空載時(shí),它也會(huì)持續(xù)從輸入源汲取電流。
許多PWM電源控制器都關(guān)斷大部分或部分PWM功能性,以求降低極輕載或空載條件下的損耗。在這種方案中,突發(fā)模式前后還有幾個(gè)相關(guān)的延時(shí)周期,會(huì)帶來(lái)可聽噪聲問題。
圖6 遲滯控制
當(dāng)電源重新開啟,并從輕載向滿載變化時(shí),這種延時(shí)還會(huì)造成輸出電壓下降,迫使電源設(shè)計(jì)人員不得不使用額外的并聯(lián)輸出電容,從而增加系統(tǒng)的成本和尺寸。
先進(jìn)突發(fā)模式可把輕載條件下的開關(guān)損耗降至最小,缺點(diǎn)是會(huì)增加DC輸出紋波,延長(zhǎng)控制周期。
啟動(dòng)電阻損耗
高壓半導(dǎo)體IC工藝的進(jìn)步讓電源IC可以直接從AC整流高電壓?jiǎn)?dòng),不再像以往那樣需要啟動(dòng)電阻來(lái)把高電壓降壓到低電壓,從而避免了這部分功耗。
圖7中,高壓內(nèi)部電流源(Ics)為內(nèi)部偏置電路供電,為Cvcc電容充電。而且,當(dāng)Vcc達(dá)到閾值時(shí),內(nèi)部電流源被禁用,PWM的偏置電流來(lái)自于調(diào)節(jié)輔助繞組(Auxwndg)。本系統(tǒng)中,低靜態(tài)電流是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。
圖7 通過Rbias或利用HV IC實(shí)現(xiàn)Vcc偏置
DC/DC功率部件
前面我們討論了運(yùn)用于DC/DC的 PWM、PFM和突發(fā)模式,本節(jié)將著重討論設(shè)計(jì)和元件優(yōu)化。
對(duì)于MOSFET,除了通常的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗之外,還有一些可能被忽略的其他損耗。下面我們將討論其中部分損耗,以及提高滿載和輕載效率的方法。
高邊和低邊同步MOSFET不同的電氣特性要求
當(dāng)同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比在50%左右時(shí),高邊和低邊MOSFET可以使用相同器件;但占空比較小時(shí),必須根據(jù)不同的條件來(lái)分別選擇每個(gè)MOSFET。
評(píng)論