開關(guān)電源的影響的主要因素

效率是任何開關(guān)電源的基本指標(biāo)，任何開關(guān)電源的設(shè)計考首先需要考慮的是效率優(yōu)化，特別是便攜式產(chǎn)品，因?yàn)楦咝视兄谘娱L電池的工作時間，消費(fèi)者可以有更多時間享受便攜產(chǎn)品的各種功能。開關(guān)電源設(shè)計中，為獲得最高轉(zhuǎn)換效率，工程師必須了解轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生損耗的機(jī)制，以尋求降低損耗的途徑。另外，工程師還要熟悉開關(guān)電源器件的各種特點(diǎn)，以選擇最合適的芯片來達(dá)到高效指標(biāo)。

本文介紹了影響開關(guān)電源效率的基本因素，并提供了一些關(guān)于降低開關(guān)電源損耗的方法。

效率估計

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在效率損耗，因此，在實(shí)際應(yīng)用中我們只能盡可能地獲得接近100%的轉(zhuǎn)換效率。目前市場上一些高質(zhì)量開關(guān)電源的效率可以達(dá)到95%左右。圖1所示電路的效率可以達(dá)到97%，但在輕載時效率有所降低。

開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管)，另外一部分損耗來自電感和電容。選擇開關(guān)電源器件時，需要考慮控制器的架構(gòu)和內(nèi)部元件，以期獲得高效指標(biāo)。圖1采用了多種方法來降低能量損耗，例如：同步整流，芯片內(nèi)部集成低導(dǎo)通電阻的MOSFET，低靜態(tài)電流和跳脈沖控制模式。

圖1MAX1556降壓控制器的應(yīng)用電路

開關(guān)器件的損耗

MOSFET和二極管由于其自身特性，會大大降低系統(tǒng)效率。相關(guān)損耗主要分成兩部分：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。簡單地說，任何電流回路都存在損耗電阻，造成能量損耗。MOSFET和二極管是開關(guān)元件，導(dǎo)通時電流流過MOSFET或二極管，會有導(dǎo)通壓降。由于MOSFET只有在導(dǎo)通時才有電流流過，MOSFET的傳導(dǎo)損耗與其導(dǎo)通電阻、占空比和導(dǎo)通時的電流有關(guān)：

PCONDMOSFET = IMOSFETONavg 2 ×RDSON ×D

式1中，IMOSFETONavg是MOSFET在導(dǎo)通時的平均電流。MOSFET的傳導(dǎo)損耗的起因是導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通電阻通常非常小。二極管的傳導(dǎo)損耗則取決于自身的導(dǎo)通壓降(VF)，導(dǎo)通壓降相對較大。因此，二極管與MOSFET相比會引入更大的傳導(dǎo)損耗。二極管的傳導(dǎo)損耗由導(dǎo)通電流、導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通時間決定。MOSFET關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通，二極管的傳導(dǎo)損耗可以由以下公式計算：

PCONDDIODE = IDIODEONavg ×VF×(1-D)

IDIODEONavg是二極管導(dǎo)通時的平均電流。從公式可以看出，導(dǎo)通時間越長，相關(guān)的傳導(dǎo)損耗越大。降壓電路中，輸出電壓越低，二極管的導(dǎo)通時間越長，相應(yīng)的傳導(dǎo)損耗也越大。

由于開關(guān)損耗是由開關(guān)的非理想狀態(tài)引起的，很難估算MOSFET和二極管的開關(guān)損耗，器件從完全導(dǎo)通到完全關(guān)閉或從完全關(guān)閉到完全導(dǎo)通需要一定時間，在這個過程中會產(chǎn)生能量損耗。圖2所示MOSFET的漏源電壓和漏源電流的關(guān)系圖可以很好地解釋MOSFET的開關(guān)損耗，從上半部分波形可以看出，在MOSFET的開關(guān)過程中，由于對MOSFET的電容充電、放電，其電流和電壓不能突變。圖中，VDS降到最終狀態(tài)(=ID×RDSON)之前，滿負(fù)荷電流將流過MOSFET。相反，關(guān)斷時，VDS在MOSFET電流下降到零值之前逐漸上升到關(guān)斷狀態(tài)的最終值。開關(guān)過程中，電壓和電流的交疊部分即為造成開關(guān)損耗的來源，從圖2可以清楚地看到這一點(diǎn)。

圖2開關(guān)損耗發(fā)生在MOSFET通斷期間的過渡過程

開關(guān)過渡時間與頻率無關(guān)，因此開關(guān)頻率越高開關(guān)損耗也越大。這一點(diǎn)很容易理解，開關(guān)周期變短時，MOSFET的開關(guān)過渡時間所占比例會大大增加，從而增大開關(guān)損耗。

與MOSFET相同，二極管也存在開關(guān)損耗。這個損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復(fù)時間，發(fā)生在二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟霓D(zhuǎn)換過程。當(dāng)反向電壓加在二級管兩端時，電流會對二極管充電，產(chǎn)生反向電流尖峰(IRRPEAK)，從而造成V × I能量損耗，因?yàn)榉聪螂娏骱头聪螂妷和瑫r存在于二極管。圖3給出了二極管在反向恢復(fù)時的示意圖。

圖3反向電壓加在二級管時由于正向電流造成的累積電荷的釋放形成了電流尖峰

了解了二極管的反向特性，可以由下式估算二極管的開關(guān)損耗：

PSWDIODE ≈ 0.5×VREVERSE×IRRPEAK×tRR2×fs