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(多图) 影响开关电源效率的主要因素

Roger M. Kenyon?? Maxim公司?? 2008年11月01日 ?? 收藏0

  对于二极管,必须降低导通压降,以降低由此产生的损耗。对于小尺寸、额定电压较低的二极管,导通压降一般在0.7V~1.5V之间。二极管的尺寸、工艺和耐压等级都会影响导通压降和反向恢复时间。额定电压较高的大尺寸二极管通常具有较高VF的和tRR,这会造成比较大的损耗。高速应用中的开关二极管一般以速度划分,速度越高,反向恢复时间越短。快恢复二极管的tRR为几百纳秒,而超高速快恢复二极管的tRR为几十纳秒。PN结二极管的导通压降较大,适合大电流、高压工作场合,通常用于大功率系统。低功率或便携产品中,即使经过优化选择的导通压降和tRR二极管仍会带来较大的损耗。

  低功耗应用中,替代快恢复二极管的一种选择是肖特基二极管,这种二极管的恢复时间几乎可以忽略,反向恢复电压也只有普通二极管的一半,但它的工作电压远远低于快恢复二极管。考虑到这些特点,肖特基二极管被广泛用于低功耗设计,在低占空比时可以降低开关二极管的损耗。

公式


  在一些低压应用中,即便是具有较低压降的肖特基二极管,所产生的传导损耗也无法接受。比如,在输出为1.5V的电路中,肖特基二极管的0.5V导通压降会产生33%的能量损耗。为了解决这一问题,可以选择低导通电阻的MOSFET实现同步控制架构。图1电路用MOSFET取代二极管,它与另外一个MOSFET同步工作,所以在交替切换的过程中,保证只有一个导通。由此,二极管的高导通压降问题被转换成MOSFET的导通电阻和压降,取代了二极管的传导损耗。当然,同步整流也会带来其它影响,例如:增加了系统设计的复杂度、成本,特别是在大电流应用中,这种架构不见得比异步方案更优越,因为MOSFET传导损耗的提升与电流的平方成正比。另外,我们还要考虑同步整流中栅极驱动引入的能量损耗。

  以上讨论了MOSFET和二极管对开关电源效率的影响。合理选择开关器件有助于改善效率,但这并非唯一的优化开关电源设计的渠道。从下面的讨论可以看到,电感、电容引入的损耗也是设计高效开关电源所面临的问题。

  电感损耗

  电感功耗包括线圈损耗和磁芯损耗,线圈损耗归结于线圈的直流电阻(DCR),磁芯损耗归结于电感的磁特性。对一个固定的电感值,电感尺寸较小时,为了保持相同匝数必须减小线圈的横截面积,因此导致DCR增大;对于给定的电感尺寸,小电感值允许减小DCR。已知DCR和平均电感电流Ilavq,电感的电阻损耗可以用下式估算。

  PLdcr = ILavg 2×DCR

  磁芯损耗并不像传导损耗那样容易估算。它由磁滞、涡流损耗组成,直接影响铁芯的交变磁通。开关电源中,尽管平均直流电流流过电感,由于通过电感的开关电压的变化产生的纹波电流导致磁芯周期性的磁通变化。磁滞损耗源于每个交流周期中磁芯偶极子的重新排列所消耗的功率,正比于频率和磁通密度。

  电容损耗

  与理想的电容模型相反,电容元件的实际物理特性导致了几种损耗。电容在电源电路中主要起稳压、滤除输入/输出噪声的作用(图4),电容的这些损耗降低了开关电源的效率。这些损耗可以通过三种现象描述:等效串联电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗。电容的阻性损耗显而易见。既然电流在每个开关周期流入、流出电容,电容固有的电阻(Rc)将造成一定功耗。漏电流损耗(RL)是由于电容绝缘材料的电阻导致较小电流流过电容而产生的功率损耗。电介质损耗(RD)比较复杂,由于电容两端施加了交流电压,电容电场发生变化,从而使电介质分子极化造成功率损耗。

图4电容损耗模型一般简化为一个等效串联电阻

  开关电源IC的折衷选择

  合理选择开关电源IC有助于改善系统效率,特别需要考虑IC封装、设计和控制架构。功率开关集成到IC内部时可以省去繁琐的MOSFET或二极管选择,而且使电路更加紧凑,由于降低了线路损耗和寄生效应,可以在一定程度上提高效率。IC规格中值得注意的一项指标是静态电流(IQ),它是维持电路工作所需的电流。重载情况下(大于一倍或两倍的静态电流),IQ对效率的影响并不明显,因为负载电流远大于IQ,而随着负载电流的降低,效率有下降的趋势,因为IQ对应的功率占总功率的比例提高。对于便携产品或电池供电产品,无疑选择具有极低IQ的电源IC比较理想,有些IC则通过不同的工作模式(例如:休眠模式或低功耗关断模式)来降低IQ。


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