提高有功模式效率以滿足“能源之星”要求

圖8 Power 56的示意圖與封裝

占空比很小時(shí)，高邊MOSFET需要非?？焖俚貙?dǎo)通和關(guān)斷，因此應(yīng)該選擇具有極小柵極電荷的MOSFET。
對(duì)于低邊MOSFET，由于在開關(guān)周期內(nèi)，它的傳導(dǎo)時(shí)間要長(zhǎng)得多，故支持的RMS電流大得多，這時(shí)I2R損耗占主要部分，導(dǎo)通阻抗Rds(on)成為更重要的因子。通過為高邊MOSFET選擇小柵極電荷(Q1)器件，為低邊MOSFET選擇低導(dǎo)通阻抗(Q2)器件，而不是高低邊MOSFET采用相同的器件，可以獲得更高的效率。

直通損耗
當(dāng)MOSFET的漏源電壓迅速上升時(shí)，感應(yīng)產(chǎn)生的dv/dt會(huì)導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通。對(duì)于12V或更高的輸入電壓，這可能是一個(gè)問題。而且隨著MOSFET的漏源電壓急劇增加，dv/dt感應(yīng)電壓尖峰可能經(jīng)由Cgd柵漏電容(米勒電容)出現(xiàn)在相應(yīng)的柵極信號(hào)上。

如果dv/dt感應(yīng)電壓尖峰超過了給定閾值電壓，MOSFET就會(huì)在本應(yīng)該關(guān)斷的時(shí)候暫時(shí)導(dǎo)通，對(duì)總體效率造成不良影響。必須確保所選的控制器使用了“固定死區(qū)時(shí)間”或“自適應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)”技術(shù)，或者二者兼?zhèn)洹?p>死區(qū)時(shí)間損耗
當(dāng)一個(gè)同步整流器關(guān)斷時(shí)，存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以確保高邊MOSFET等待低邊MOSFET關(guān)斷，從而避免交越傳導(dǎo)。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，低邊MOSFET的內(nèi)部體二極管由于反向恢復(fù)速度很慢，故需要一定的時(shí)間才能關(guān)斷，這就在該時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生額外的功耗。

利用集成有肖特基二極管、幾乎沒有反向恢復(fù)時(shí)間的MOSFET來代替常規(guī)體二極管，有助于降低死區(qū)時(shí)間內(nèi)的體二極管損耗。

圖9 通過提高頻率，減少寄生效應(yīng)來減小系統(tǒng)尺寸

寄生損耗
任何電路都會(huì)因元件封裝和電路布局而存在寄生電感。由于輸出功率等于輸入功率減去寄生功耗，故更高的頻率有助于減小器件的尺寸，把寄生電容和寄生電感效應(yīng)降至最小。增加開關(guān)頻率可減少元件數(shù)目，提高集成度，增強(qiáng)對(duì)寄生效應(yīng)的控制，從而減小總體電源系統(tǒng)的尺寸。

多個(gè)負(fù)載開關(guān)
在子電路進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，負(fù)載開關(guān)可以利用使能管腳或通過I2C控制來關(guān)斷其電源。減小待機(jī)電流的一種解決方案是關(guān)斷系統(tǒng)中未使用的子電路或功能模塊。系統(tǒng)中的電路可劃分為許多子電路或功率島區(qū)，其中每一個(gè)都整合有一個(gè)負(fù)載開關(guān)。

在待機(jī)模式下，維持供電只是為了子電路保持稍后恢復(fù)工作狀態(tài)所必需的信息，圖10中的子電路#1就是這種情況。所有其他子電路則關(guān)斷以節(jié)電。

利用這種方法，盡管待機(jī)電流仍然大于關(guān)斷所有子電路的方法，但有可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)可快速恢復(fù)的待機(jī)狀態(tài)。

這種方法可能帶來一個(gè)工程技術(shù)挑戰(zhàn)，即如何實(shí)現(xiàn)各模塊啟動(dòng)/關(guān)斷的正確時(shí)序。通過打開或切斷與不同功能模塊連接的負(fù)載開關(guān)，可以使系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。一旦GPIO或I2C發(fā)出命令，低功耗DSP就退出待機(jī)模式，解碼接收到的信號(hào)，通過負(fù)載開關(guān)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。

圖10 負(fù)載開關(guān)關(guān)斷子電路

數(shù)字處理器
處理器芯片的關(guān)鍵在于使用低功耗技術(shù)，在待機(jī)期間減小內(nèi)部工作電壓，把板上振蕩器頻率降至低速，并優(yōu)化電路，降低功耗。對(duì)于任何處于有功或待機(jī)模式下的邏輯模塊，半導(dǎo)體行業(yè)都提供有一些相應(yīng)的解決方案，可幫助降低這些損耗。

時(shí)鐘門控是一項(xiàng)可用于降低系統(tǒng)有功功耗的技術(shù)。它只在有未決任務(wù)時(shí)啟動(dòng)特定邏輯模塊的時(shí)鐘。若沒有未決任務(wù)，特定邏輯模塊的時(shí)鐘可被關(guān)斷，故只減小該模塊的有功功率。

還有一種更好的時(shí)鐘門控解決方案，即切斷未在使用的那些邏輯模塊的供電。由于有功功率同時(shí)與電源電壓和頻率有關(guān)(V2)，我們可以動(dòng)態(tài)控制電源電壓，或根據(jù)計(jì)算任務(wù)的強(qiáng)度調(diào)節(jié)處理器的時(shí)鐘頻率，以此來控制有功功率。若性能要求不高，系統(tǒng)可以降低器件的頻率和供電電壓。

圖11 通過I2C控制實(shí)現(xiàn)Vout的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)

結(jié)語
關(guān)于提高滿載條件下的效率，必須改變傳統(tǒng)的思考方式，轉(zhuǎn)而著眼于通過降低功耗來提高滿載與輕載條件下的效率。

系統(tǒng)工程師必須重點(diǎn)關(guān)注架構(gòu)級(jí)和元件級(jí)優(yōu)化的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)最高效的設(shè)計(jì)和最低的功耗。特別需要注意的是低磁化電流變壓器設(shè)計(jì)，通過降低輕載下銅損耗來提高效率。

此外，還需要通過頂層系統(tǒng)回顧，以找出給定系統(tǒng)中的所有損耗，然后利用帶PFM或突發(fā)模式的控制器來降低輕載功耗。最后，劃分功率島區(qū)，根據(jù)需要利用負(fù)載開關(guān)來啟動(dòng)/關(guān)斷子電路，也可以降低待機(jī)功耗。