電源設計小貼士12：電源效率最大化
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在《電源設計小貼士 11》中，我們討論了如何利用泰勒級數 (Taylor series) 查找電源中的損耗源。在本篇電源設計小貼士中，我們將討論如何使用相同的級數最大化特定負載電流的電源效率。在《電源設計小貼士 11》中，我們建議使用如下輸出電流函數來(lái)計算電源損耗：
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/104416.htm
下一步是利用上述簡(jiǎn)單表達式，并將其放入效率方程式中：
這樣，輸出電流的效率就得到了優(yōu)化（具體論證工作留給學(xué)生去完成）。這種優(yōu)化可產(chǎn)生一個(gè)有趣的結果。
當輸出電流等于如下表達式時(shí)，效率將會(huì )最大化。
需要注意的第一件事是，a1 項對效率達到最大時(shí)的電流不產(chǎn)生影響。這是由于它與損耗相關(guān)，而上述損耗又與諸如二極管結點(diǎn)的輸出電流成比例關(guān)系。因此，當輸出電流增加時(shí)，上述損耗和輸出功率也會(huì )隨之增加，并且對效率沒(méi)有影響。需要注意的第二件事是，最佳效率出現在固定損耗和傳導損耗相等的某個(gè)點(diǎn)上。這就是說(shuō)，只要控制設置 a0 和 a2 值的組件，便能夠獲得最佳效率。還是要努力減小 a1 的值，并提高效率?？刂圃擁椝媒Y果對所有負載電流而言均相同，因此如其他項一樣沒(méi)有出現最佳效率。a1 項的目標是在控制成本的同時(shí)達到最小化。
表 1 概括總結了各種電源損耗項及其相關(guān)損耗系數，該表提供了一些最佳化電源效率方面的折中方法。例如，功率 MOSFET 導通電阻的選擇會(huì )影響其柵極驅動(dòng)要求及 Coss 損耗和潛在的緩沖器損耗。低導通電阻意味著(zhù)，柵極驅動(dòng)、Coss 和緩沖器損耗逆向增加。因此，您可通過(guò)選擇 MOSFET 來(lái)控制 a0 和 a2。
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損耗系數
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舉例
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a0
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偏壓損耗 Coss 損耗
內核損耗 緩沖器損耗
柵極驅動(dòng)損耗
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a1
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二級管結點(diǎn)損耗 開(kāi)關(guān)損耗
逆向恢復損耗 SR 停滯時(shí)間損耗
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a2
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FFT 電阻損耗 繞組損耗
漏電感損耗 蝕刻損耗
電容器紋波l損耗 電流感應損耗
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需要最小化該表達式中的最后兩項，以最佳化效率。a1 項很簡(jiǎn)單，只需對其最小化即可。末尾項能夠實(shí)現部分優(yōu)化。如果假設 MOSFET 的 Coss 和柵極驅動(dòng)功率與其面積相關(guān)，同時(shí)其導通電阻與面積成反比，則可以為它選擇最佳面積（和電阻）。圖 1 顯示了裸片面積的優(yōu)化結果。裸片面積較小時(shí)，MOSFET 的導通電阻變?yōu)樾氏拗破?。隨著(zhù)裸片面積增加，驅動(dòng)和 Coss 損耗也隨之增加，并且在某一點(diǎn)上變?yōu)橹饕獡p耗組件。這種最小值相對寬泛，從而讓設計人員可以靈活控制已實(shí)現低損耗的 MOSFET 成本。當驅動(dòng)損耗等于傳導損耗時(shí)達到最低損耗。
圖 1 調節 MOSFET 裸片面積來(lái)最小化滿(mǎn)負載功率損耗
圖 2 是圍繞圖 1 最佳點(diǎn)的三種可能設計效率圖。圖中分別顯示了三種設計的正常裸片面積。輕負載情況下，較大面積裸片的效率會(huì )受不斷增加的驅動(dòng)損耗影響，而在重負載條件下小尺寸器件因高傳導損耗而變得不堪重負。這些曲線(xiàn)代表裸片面積和成本的三比一變化，注意這一點(diǎn)非常重要。正常芯片面積設計的效率只比滿(mǎn)功率大面積設計的效率稍低一點(diǎn)，而在輕載條件下（設計常常運行在這種負載條件下）則更高。
圖 2 效率峰值出現在滿(mǎn)額定電流之前
下個(gè)月，我們將會(huì )討論利用增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小磁性大小的一些局限性，敬請期待。
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