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(jì)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(zhǎng)電池的工作時(shí)間，消費(fèi)者可以有更多時(shí)間享受便攜產(chǎn)品的各種功能。開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(jì)

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(chǎng)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(shí)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(shí)，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(huì)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(jiǎn)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(shí)電流流過MOSFET或二極管，會(huì)有導(dǎo)通壓降。由于MOSFET只有在導(dǎo)通時(shí)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(shí)的電流有關(guān)：

PCONDMOSFET = IMOSFETONavg 2 ×RDSON ×D

式1中，IMOSFETONavg是MOSFET在導(dǎo)通時(shí)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(duì)較大。因此，二極管與MOSFET相比會(huì)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(shí)間決定。MOSFET關(guān)斷時(shí)，二極管導(dǎo)通，二極管的傳導(dǎo)損耗可以由以下公式計(jì)算：

PCONDDIODE = IDIODEONavg ×VF×(1-D)

IDIODEONavg是二極管導(dǎo)通時(shí)的平均電流。從公式可以看出，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)間，在這個(gè)過程中會(huì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)，MOSFET的開關(guān)過渡時(shí)間所占比例會(huì)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(gè)損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復(fù)時(shí)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(jí)管兩端時(shí)，電流會(huì)對(duì)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(shí)存在于二極管。圖3給出了二極管在反向恢復(fù)時(shí)的示意圖。

圖3反向電壓加在二級(jí)管時(shí)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