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，因為若柵極電壓增加，MOSFET的導(dǎo)通阻抗就會下降。不過，當(dāng)柵極電壓增加時，所需的柵極電荷Qg也隨之增加。柵極驅(qū)動功率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。對于電流較大的低壓應(yīng)用來說，用Rds(on)為10mΩ的同步MOSFET來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)頻率來控制輸出電壓。這時，開關(guān)頻率與輸出功率成比例。在輸出功率很低時，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有源振蕩器，即使在空載時，它也會持續(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)模式前后還有幾個相關(guān)的延時周期，會帶來可聽噪聲問題。

圖6 遲滯控制

當(dāng)電源重新開啟，并從輕載向滿載變化時，這種延時還會造成輸出電壓下降，迫使電源設(shè)計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)是會增加DC輸出紋波，延長控制周期。

啟動電阻損耗
高壓半導(dǎo)體IC工藝的進(jìn)步讓電源IC可以直接從AC整流高電壓啟動，不再像以往那樣需要啟動電阻來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，內(nèi)部電流源被禁用，PWM的偏置電流來自于調(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)計考慮因素。

圖7 通過Rbias或利用HV IC實現(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)計和元件優(yōu)化。

對于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，高邊和低邊MOSFET可以使用相同器件；但占空比較小時，必須根據(jù)不同的條件來分別選擇每個MOSFET。