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  • 怎么提高開關(guān)電源效率,方法解析
    • 發(fā)布時間:2023-07-17 20:05:49
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    怎么提高開關(guān)電源效率,方法解析
    降低 MOSFET功率損耗
    降低 MOSFET功率損耗的直接途徑是:選擇低導(dǎo)通電阻 RDS(ON)、可快速切換的 MOSFET。
    影響 MOSFET導(dǎo)通電阻的因素主要有以下幾種:
    (1)MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著芯片尺寸和漏源極擊穿電壓(VBR(DSS))的增大而增大,因為增加了 MOSFET 中的半導(dǎo)體材料。所以,相比較而言,過大尺寸的 MOSFET 會增大功率損耗。
    (2)MOSFET的導(dǎo)通電阻受結(jié)溫的影響,當(dāng) MOSFET 的結(jié)溫升高時,MOSFET 導(dǎo)通電阻會相應(yīng)增大。因此,必須保持較低的結(jié)溫,使導(dǎo)通電阻 RDS(ON)不會過大。
    (3)MOSFET的導(dǎo)通電阻和柵源電壓成反比,較大柵源電壓可以降低 MOSFET 的導(dǎo)通電阻,但是也會增大柵極驅(qū)動損耗,因此,需要平衡 MOSFET 導(dǎo)通電阻和柵極驅(qū)動損耗。
    MOSFET 的開關(guān)損耗與寄生電容有關(guān),較大的寄生電容需要較長的充電時間,使開關(guān)切換變緩,消耗更多能量。米勒電容通常在 MOSFET 數(shù)據(jù)資料中定義為反向傳輸電容(CRSS)或柵-漏電容(CGD),在開關(guān)過程中對切換時間起決定作用。
    米勒電容的充電電荷用 QGD表示,為了快速切換 MOSFET,要求盡可能低的米勒電容。一般來說,MOSFET 的寄生電容和芯片尺寸成反比,因此必須折中考慮開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗,同時也要謹(jǐn)慎選擇電路的開關(guān)頻率。
    降低二極管功率損耗
    對于二極管,必須降低導(dǎo)通壓降,以降低由此產(chǎn)生的損耗。對于小尺寸、額定電壓較低的硅二極管,導(dǎo)通壓降一般在 0.7V 到 1.5V 之間。二極管的尺寸、工藝和耐壓等級都會影響導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)時間,大尺寸和耐壓值較高的二極管通常具有較高的 VF 和 tRR,這會造成比較大的損耗。
    開關(guān)二極管一般以速度劃分,分為快速(fast,)、高速(super fast)和超高速(ultrafast)二極管,反向恢復(fù)時間隨著速度的提高而降低。快速恢復(fù)二極管的 tRR 為幾百納秒,而超高速快恢復(fù)二極管的 tRR 為幾十納秒。
    對比 PN 結(jié)二極管和肖特基二極管可知:
    (1)PN 結(jié)二極管往往具有較大的正向?qū)妷海^大的額定電壓和電流,使得其適合于更高的功率應(yīng)用。不過,即使經(jīng)過優(yōu)化的 VF 和 tRR,往往也不會應(yīng)用在低功耗的場景,因為效率太低。
    (2)肖特基二極管則往往應(yīng)用在低功耗場景,因為具有較低的 VF(0.4V 至 1V)和極小的 tRR,特別適用于低功耗的開關(guān)電源中,尤其是低占空比的情況。
    然而,在一些低壓應(yīng)用中,即便是具有較低壓降的肖特基二極管,所產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗也無法接受。比如,在輸出為 1.5V 的電路中,即使使用 0.5V 導(dǎo)通壓降 VF的肖特基二極管,二極管導(dǎo)通時也會產(chǎn)生 33%的輸出電壓損耗!
    開關(guān)電源 效率 損耗
    圖 采用 MOSFET 代替二極管以降低損耗
    為了解決這一問題,可以選擇低導(dǎo)通電阻 RDS(ON)的 MOSFET 實現(xiàn)同步控制架構(gòu)。用 MOSFET 取代二極管(如圖所示),它與電源的主 MOSFET 同步工作,所以在交替切換的過程中,保證只有一個導(dǎo)通。
    導(dǎo)通的二極管由導(dǎo)通的 MOSFET 所替代,二極管的高導(dǎo)通壓降 VF被轉(zhuǎn)換成 MOSFET 的低導(dǎo)通壓降(MOSFET RDS(ON) * I),有效降低了二極管的傳導(dǎo)損耗。
    當(dāng)然,同步整流 MOSFET 與二極管相比降低了壓降,但也引入了驅(qū)動損耗。
    影響開關(guān)電源效率的兩個重要因素:MOSFET 和二極管。現(xiàn)代的開關(guān)電源控制器往往是將這兩者連同反饋、診斷等功能集成到一個 IC 中,這樣可以節(jié)省空間和降低寄生損耗,在一定程度上提供了電源效率。
    降低無源器件的功率損耗
    無源器件主要是電感和電容,降低這兩種器件功率損耗的方法有:
    (1)選擇低 ESR 的電容;
    (2)選擇低 DSR 的電感;
    優(yōu)化電源控制架構(gòu)
    相較于固定 PWM 頻率的控制架構(gòu),使用跳脈沖(PFM)的控制架構(gòu),更有利于提高開關(guān)電源的效率,尤其是在輕負(fù)載或負(fù)載范圍較寬時。
    跳脈沖模式下,在一段較長時間內(nèi)電感放電,將能量從電感傳遞給負(fù)載,以維持輸出電壓。當(dāng)然,隨著負(fù)載吸收電流,輸出電壓也會跌落。當(dāng)電壓跌落到設(shè)置門限時,將開啟一個新的開關(guān)周期,為電感充電并補充輸出電壓。
    需要注意的是跳脈沖模式會產(chǎn)生與負(fù)載相關(guān)的輸出噪聲,這些噪聲由于分布在不同頻率(與固定頻率的 PWM 控制架構(gòu)不同),很難濾除。
    現(xiàn)代的開關(guān)電源控制 IC 會合理利用兩者的優(yōu)勢:重載時采用恒定 PWM 頻率;輕載時采用跳脈沖模式以提高效率。
    當(dāng)負(fù)載增加到一個較高的有效值時,跳脈沖波形將轉(zhuǎn)換到固定 PWM,此時負(fù)載下噪聲很容易濾除。在整個工作范圍內(nèi),器件根據(jù)需要選擇跳脈沖模式和 PWM 模式,保持整體的最高效率。 
    如圖所示。
    開關(guān)電源 效率 損耗
    圖 開關(guān)電源中跳脈沖模式和固定 PWM 模式下的效率對比
    固定 PWM 模式下的效率曲線(圖中的 D、E、F),輕載時效率較低,但在重載時能夠提供很高的轉(zhuǎn)換效率(高達(dá) 98%)。
    然而,跳脈沖模式下的效率曲線(圖中的 A、B、C)能夠在輕載時保持在較高水平。
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