開關(guān)電源的影響的主要因素

基于上述討論，減小開關(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時需要在尺寸和效率之間進行權(quán)衡。另外，由于MOSFET的正溫度特性，當芯片溫度升高時，導(dǎo)通電阻會相應(yīng)增大。必須采用適當?shù)臒峁芾矸桨副３州^低的結(jié)溫，使導(dǎo)通電阻不會過大。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，該方案也會增大柵極驅(qū)動損耗。而且，開關(guān)控制器件本身通常無法產(chǎn)生較高的柵極驅(qū)動電壓，除非芯片提供有自舉電路，或采用外部柵極驅(qū)動。MOSFET的開關(guān)損耗取決于寄生電容，較大的寄生電容需要較長的充電時間，使開關(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，在開關(guān)過程中對轉(zhuǎn)換時間起決定作用。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。一般來說，MOSFET的電容和芯片尺寸成反比，因此必須折衷考慮開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，同時也要謹慎選擇電路的開關(guān)頻率。

對于二極管，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、工藝和耐壓等級都會影響導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)時間。額定電壓較高的大尺寸二極管通常具有較高VF的和tRR，這會造成比較大的損耗。高速應(yīng)用中的開關(guān)二極管一般以速度劃分，速度越高，反向恢復(fù)時間越短?？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)過優(yōu)化選擇的導(dǎo)通壓降和tRR二極管仍會帶來較大的損耗。

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，但它的工作電壓遠遠低于快恢復(fù)二極管。考慮到這些特點，肖特基二極管被廣泛用于低功耗設(shè)計，在低占空比時可以降低開關(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)通壓降會產(chǎn)生33%的能量損耗。為了解決這一問題，可以選擇低導(dǎo)通電阻的MOSFET實現(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MOSFET同步工作，所以在交替切換的過程中，保證只有一個導(dǎo)通。由此，二極管的高導(dǎo)通壓降問題被轉(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。當然，同步整流也會帶來其它影響，例如：增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度、成本，特別是在大電流應(yīng)用中，這種架構(gòu)不見得比異步方案更優(yōu)越，因為MOSFET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)動引入的能量損耗。

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

電感損耗

電感功耗包括線圈損耗和磁芯損耗，線圈損耗歸結(jié)于線圈的直流電阻(DCR)，磁芯損耗歸結(jié)于電感的磁特性。對一個固定的電感值，電感尺寸較小時，為了保持相同匝數(shù)必須減小線圈的橫截面積，因此導(dǎo)致DCR增大；對于給定的電感尺寸，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。開關(guān)電源中，盡管平均直流電流流過電感，由于通過電感的開關(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關(guān)電源的效率。這些損耗可以通過三種現(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。既然電流在每個開關(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化為一個等效串聯(lián)電阻

開關(guān)電源IC的折衷選擇

合理選擇開關(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)計和控制架構(gòu)。功率開關(guān)集成到IC內(nèi)部時可以省去繁瑣的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指標是靜態(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對效率的影響并不明顯，因為負載電流遠大于IQ，而隨著負載電流的降低，效率有下降的趨勢，因為IQ對應(yīng)的功率占總功率的比例提高。對于便攜產(chǎn)品或電池供電產(chǎn)品，無疑選擇具有極低IQ的電源IC比較理想，有些IC則通過不同的工作模式(例如：休眠模式或低功耗關(guān)斷模式)來降低IQ。

開關(guān)電源的控制架構(gòu)是影響開關(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關(guān)二極管，可有效改善效率指標。另一種常見的DC-DC控制結(jié)構(gòu)是在輕載時進入跳脈沖工作模式，與單純的PWM開關(guān)操作(在重載和輕載時均采用固定的開關(guān)頻率)不同，跳脈沖模式下轉(zhuǎn)換器工作在跳躍的開關(guān)周期，可以節(jié)省不必要的開關(guān)操作。跳脈沖模式下，在一段較長時間內(nèi)電感放電，將能量從電感傳遞給負載，以維持輸出電壓。但是，跳脈沖模式會產(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。先進的開關(guān)電源IC會合理利用兩者的優(yōu)勢：重載時采用恒定PWM頻率；輕載時采用跳脈沖模式，圖1所示IC即提供了這樣的工作模式。

優(yōu)化開關(guān)電源效率

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