開(kāi)關(guān)電源的影響的主要因素

效率是任何開(kāi)關(guān)電源的基本指標，任何開(kāi)關(guān)電源的設計考首先需要考慮的是效率優(yōu)化，特別是便攜式產(chǎn)品，因為高效率有助于延長(cháng)電池的工作時(shí)間，消費者可以有更多時(shí)間享受便攜產(chǎn)品的各種功能。開(kāi)關(guān)電源設計中，為獲得最高轉換效率，工程師必須了解轉換電路中產(chǎn)生損耗的機制，以尋求降低損耗的途徑。另外，工程師還要熟悉開(kāi)關(guān)電源器件的各種特點(diǎn)，以選擇最合適的芯片來(lái)達到高效指標。

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

效率估計

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

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

圖1MAX1556降壓控制器的應用電路

開(kāi)關(guān)器件的損耗

MOSFET和二極管由于其自身特性，會(huì )大大降低系統效率。相關(guān)損耗主要分成兩部分：傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(kāi)關(guān)元件，導通時(shí)電流流過(guò)MOSFET或二極管，會(huì )有導通壓降。由于MOSFET只有在導通時(shí)才有電流流過(guò)，MOSFET的傳導損耗與其導通電阻、占空比和導通時(shí)的電流有關(guān)：

PCONDMOSFET = IMOSFETONavg 2 ×RDSON ×D

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

PCONDDIODE = IDIODEONavg ×VF×(1-D)

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

由于開(kāi)關(guān)損耗是由開(kāi)關(guān)的非理想狀態(tài)引起的，很難估算MOSFET和二極管的開(kāi)關(guān)損耗，器件從完全導通到完全關(guān)閉或從完全關(guān)閉到完全導通需要一定時(shí)間，在這個(gè)過(guò)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(kāi)關(guān)損耗，從上半部分波形可以看出，在MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)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(mǎn)負荷電流將流過(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)程中，電壓和電流的交疊部分即為造成開(kāi)關(guān)損耗的來(lái)源，從圖2可以清楚地看到這一點(diǎn)。

圖2開(kāi)關(guān)損耗發(fā)生在MOSFET通斷期間的過(guò)渡過(guò)程

開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間與頻率無(wú)關(guān)，因此開(kāi)關(guān)頻率越高開(kāi)關(guān)損耗也越大。這一點(diǎn)很容易理解，開(kāi)關(guān)周期變短時(shí)，MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間所占比例會(huì )大大增加，從而增大開(kāi)關(guān)損耗。

與MOSFET相同，二極管也存在開(kāi)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時(shí)間，發(fā)生在二極管從正向導通到反向截止的轉換過(guò)程。當反向電壓加在二級管兩端時(shí)，電流會(huì )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，因為反向電流和反向電壓同時(shí)存在于二極管。圖3給出了二極管在反向恢復時(shí)的示意圖。

圖3反向電壓加在二級管時(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(kāi)關(guān)損耗：

PSWDIODE ≈ 0.5×VREVERSE×IRRPEAK×tRR2×fs