開(kāi)關(guān)電源的影響的主要因素

基于上述討論，減小開(kāi)關(guān)器件損耗的直接途徑是：選擇低導(dǎo)通電阻、可快速切換的MOSFET；選擇低導(dǎo)通壓降、快速恢復(fù)的二極管。通常，增加芯片尺寸和漏源極擊穿電壓，有助于降低導(dǎo)通電阻。因此，選擇MOSFET時(shí)需要在尺寸和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。另外，由于MOSFET的正溫度特性，當(dāng)芯片溫度升高時(shí)，導(dǎo)通電阻會(huì)相應(yīng)增大。必須采用適當(dāng)?shù)臒峁芾矸桨副３州^低的結(jié)溫，使導(dǎo)通電阻不會(huì)過(guò)大。導(dǎo)通電阻和柵源偏置電壓成反比，因此，推薦使用足夠大的柵極電壓，使MOSFET充分導(dǎo)通，該方案也會(huì)增大柵極驅(qū)動(dòng)損耗。而且，開(kāi)關(guān)控制器件本身通常無(wú)法產(chǎn)生較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，除非芯片提供有自舉電路，或采用外部柵極驅(qū)動(dòng)。MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗取決于寄生電容，較大的寄生電容需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間，使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換變緩，損耗更多的能量。米勒電容通常反比于MOSFET的傳導(dǎo)電容或柵-漏電容，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間起決定作用。米勒電容的充電電荷定義為QGD，為了快速切換MOSFET，要求盡可能低的米勒電容。一般來(lái)說(shuō)，MOSFET的電容和芯片尺寸成反比，因此必須折衷考慮開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，同時(shí)也要謹(jǐn)慎選擇電路的開(kāi)關(guān)頻率。

對(duì)于二極管，必須降低導(dǎo)通壓降，以降低由此產(chǎn)生的損耗。對(duì)于小尺寸、額定電壓較低的二極管，導(dǎo)通壓降一般在0.7V～1.5V之間。二極管的尺寸、工藝和耐壓等級(jí)都會(huì)影響導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)時(shí)間。額定電壓較高的大尺寸二極管通常具有較高VF的和tRR，這會(huì)造成比較大的損耗。高速應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)二極管一般以速度劃分，速度越高，反向恢復(fù)時(shí)間越短?？旎謴?fù)二極管的tRR為幾百納秒，而超高速快恢復(fù)二極管的tRR為幾十納秒。PN結(jié)二極管的導(dǎo)通壓降較大，適合大電流、高壓工作場(chǎng)合，通常用于大功率系統(tǒng)。低功率或便攜產(chǎn)品中，即使經(jīng)過(guò)優(yōu)化選擇的導(dǎo)通壓降和tRR二極管仍會(huì)帶來(lái)較大的損耗。

低功耗應(yīng)用中，替代快恢復(fù)二極管的一種選擇是肖特基二極管，這種二極管的恢復(fù)時(shí)間幾乎可以忽略，反向恢復(fù)電壓也只有普通二極管的一半，但它的工作電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于快恢復(fù)二極管?？紤]到這些特點(diǎn)，肖特基二極管被廣泛用于低功耗設(shè)計(jì)，在低占空比時(shí)可以降低開(kāi)關(guān)二極管的損耗。

公式

在一些低壓應(yīng)用中，即便是具有較低壓降的肖特基二極管，所產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗也無(wú)法接受。比如，在輸出為1.5V的電路中，肖特基二極管的0.5V導(dǎo)通壓降會(huì)產(chǎn)生33%的能量損耗。為了解決這一問(wèn)題，可以選擇低導(dǎo)通電阻的MOSFET實(shí)現(xiàn)同步控制架構(gòu)。圖1電路用MOSFET取代二極管，它與另外一個(gè)MOSFET同步工作，所以在交替切換的過(guò)程中，保證只有一個(gè)導(dǎo)通。由此，二極管的高導(dǎo)通壓降問(wèn)題被轉(zhuǎn)換成MOSFET的導(dǎo)通電阻和壓降，取代了二極管的傳導(dǎo)損耗。當(dāng)然，同步整流也會(huì)帶來(lái)其它影響，例如：增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、成本，特別是在大電流應(yīng)用中，這種架構(gòu)不見(jiàn)得比異步方案更優(yōu)越，因?yàn)镸OSFET傳導(dǎo)損耗的提升與電流的平方成正比。另外，我們還要考慮同步整流中柵極驅(qū)動(dòng)引入的能量損耗。

以上討論了MOSFET和二極管對(duì)開(kāi)關(guān)電源效率的影響。合理選擇開(kāi)關(guān)器件有助于改善效率，但這并非唯一的優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的渠道。從下面的討論可以看到，電感、電容引入的損耗也是設(shè)計(jì)高效開(kāi)關(guān)電源所面臨的問(wèn)題。

電感損耗

電感功耗包括線(xiàn)圈損耗和磁芯損耗，線(xiàn)圈損耗歸結(jié)于線(xiàn)圈的直流電阻(DCR)，磁芯損耗歸結(jié)于電感的磁特性。對(duì)一個(gè)固定的電感值，電感尺寸較小時(shí)，為了保持相同匝數(shù)必須減小線(xiàn)圈的橫截面積，因此導(dǎo)致DCR增大；對(duì)于給定的電感尺寸，小電感值允許減小DCR。已知DCR和平均電感電流Ilavq，電感的電阻損耗可以用下式估算。

PLdcr = ILavg 2×DCR

磁芯損耗并不像傳導(dǎo)損耗那樣容易估算。它由磁滯、渦流損耗組成，直接影響鐵芯的交變磁通。開(kāi)關(guān)電源中，盡管平均直流電流流過(guò)電感，由于通過(guò)電感的開(kāi)關(guān)電壓的變化產(chǎn)生的紋波電流導(dǎo)致磁芯周期性的磁通變化。磁滯損耗源于每個(gè)交流周期中磁芯偶極子的重新排列所消耗的功率，正比于頻率和磁通密度。

電容損耗

與理想的電容模型相反，電容元件的實(shí)際物理特性導(dǎo)致了幾種損耗。電容在電源電路中主要起穩(wěn)壓、濾除輸入/輸出噪聲的作用(圖4)，電容的這些損耗降低了開(kāi)關(guān)電源的效率。這些損耗可以通過(guò)三種現(xiàn)象描述：等效串聯(lián)電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗。電容的阻性損耗顯而易見(jiàn)。既然電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期流入、流出電容，電容固有的電阻(Rc)將造成一定功耗。漏電流損耗(RL)是由于電容絕緣材料的電阻導(dǎo)致較小電流流過(guò)電容而產(chǎn)生的功率損耗。電介質(zhì)損耗(RD)比較復(fù)雜，由于電容兩端施加了交流電壓，電容電場(chǎng)發(fā)生變化，從而使電介質(zhì)分子極化造成功率損耗。

圖4電容損耗模型一般簡(jiǎn)化為一個(gè)等效串聯(lián)電阻

開(kāi)關(guān)電源IC的折衷選擇

合理選擇開(kāi)關(guān)電源IC有助于改善系統(tǒng)效率，特別需要考慮IC封裝、設(shè)計(jì)和控制架構(gòu)。功率開(kāi)關(guān)集成到IC內(nèi)部時(shí)可以省去繁瑣的MOSFET或二極管選擇，而且使電路更加緊湊，由于降低了線(xiàn)路損耗和寄生效應(yīng)，可以在一定程度上提高效率。IC規(guī)格中值得注意的一項(xiàng)指標(biāo)是靜態(tài)電流(IQ)，它是維持電路工作所需的電流。重載情況下(大于一倍或兩倍的靜態(tài)電流)，IQ對(duì)效率的影響并不明顯，因?yàn)樨?fù)載電流遠(yuǎn)大于IQ，而隨著負(fù)載電流的降低，效率有下降的趨勢(shì)，因?yàn)镮Q對(duì)應(yīng)的功率占總功率的比例提高。對(duì)于便攜產(chǎn)品或電池供電產(chǎn)品，無(wú)疑選擇具有極低IQ的電源IC比較理想，有些IC則通過(guò)不同的工作模式(例如：休眠模式或低功耗關(guān)斷模式)來(lái)降低IQ。

開(kāi)關(guān)電源的控制架構(gòu)是影響開(kāi)關(guān)電源效率的關(guān)鍵因素之一。圖1所示同步整流架構(gòu)中，由于采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET取代了功耗較大的開(kāi)關(guān)二極管，可有效改善效率指標(biāo)。另一種常見(jiàn)的DC-DC控制結(jié)構(gòu)是在輕載時(shí)進(jìn)入跳脈沖工作模式，與單純的PWM開(kāi)關(guān)操作(在重載和輕載時(shí)均采用固定的開(kāi)關(guān)頻率)不同，跳脈沖模式下轉(zhuǎn)換器工作在跳躍的開(kāi)關(guān)周期，可以節(jié)省不必要的開(kāi)關(guān)操作。跳脈沖模式下，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電感放電，將能量從電感傳遞給負(fù)載，以維持輸出電壓。但是，跳脈沖模式會(huì)產(chǎn)生額外的輸出噪聲，這些噪聲由于分布在不同頻率，很難濾除。先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源IC會(huì)合理利用兩者的優(yōu)勢(shì)：重載時(shí)采用恒定PWM頻率；輕載時(shí)采用跳脈沖模式，圖1所示IC即提供了這樣的工作模式。

優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源效率

開(kāi)關(guān)電源因其高效率指標(biāo)得到廣泛應(yīng)用，但其效率仍然受開(kāi)關(guān)電路的一些固有損耗的制約。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，需要仔細(xì)研究造成開(kāi)關(guān)電源損耗的來(lái)源，合理選擇器件，從而充分利用開(kāi)關(guān)電源的高效優(yōu)勢(shì)。