影響開關(guān)模式、DC-DC轉(zhuǎn)換器效率的主要因

本文詳細(xì)介紹了開關(guān)電源(SMPS)中各個元器件損耗的計算和預(yù)測技術(shù)，并討論了提高開關(guān)調(diào)節(jié)器效率的相關(guān)技術(shù)和特點(diǎn)。

概述

效率是任何開關(guān)電源(SMPS)的重要指標(biāo)，特別是便攜式產(chǎn)品，延長電池使用壽命是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計目標(biāo)。對于空間受限的設(shè)計或者是無法投入成本解決功率耗散問題的產(chǎn)品，高效率也是改善系統(tǒng)熱管理的必要因素。

SMPS設(shè)計中，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SMPS IC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，可以以此作為新設(shè)計的準(zhǔn)則。我們將從一般性介紹開始，然后針對特定的開關(guān)元件的損耗進(jìn)行討論。

效率估計

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在能耗，雖然實(shí)際應(yīng)用中無法獲得100%的轉(zhuǎn)換效率，但是，一個高質(zhì)量的電源效率可以達(dá)到非常高的水平，效率接近95%。

絕大多數(shù)電源IC的工作效率可以在特定的工作條件下測得，數(shù)據(jù)資料中給出了這些參數(shù)。Maxim的數(shù)據(jù)資料給出了實(shí)際測試得到的數(shù)據(jù)，其他廠商也會給出實(shí)際測量的結(jié)果，但我們只能對我們自己的數(shù)據(jù)擔(dān)保。圖1給出了一個SMPS降壓轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)例，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到97%，即使在輕載時也能保持較高效率。

采用什么秘訣才能達(dá)到如此高的效率？我們最好從了解SMPS損耗的公共問題開始，開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管)，另外小部分損耗來自電感和電容。但是，如果使用非常廉價的電感和電容(具有較高電阻)，將會導(dǎo)致?lián)p耗明顯增大。

選擇IC時，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)。例如，圖1采用了多種方法來降低損耗，其中包括：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。我們將在本文展開討論這些措施帶來的好處。


圖1. MAX1556降壓轉(zhuǎn)換器集成了低導(dǎo)通電阻的MOSFET，采用同步整流，可以達(dá)到95%的轉(zhuǎn)換效率，效率曲線如圖所示。

降壓型SMPS

損耗是任何SMPS架構(gòu)都面臨的問題，我們在此以圖2所示降壓型(或buck)轉(zhuǎn)換器為例進(jìn)行討論，圖中標(biāo)明各點(diǎn)的開關(guān)波形，用于后續(xù)計算。


圖2. 通用降壓型SMPS電路和相關(guān)波形，對于理解SMPS架構(gòu)提供了一個很好的參考實(shí)例。

降壓轉(zhuǎn)換器的主要功能是把一個較高的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓。為了達(dá)到這個要求，MOSFET以固定頻率(f_S)，在脈寬調(diào)制信號(PWM)的控制下進(jìn)行開、關(guān)操作。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，輸入電壓給電感和電容(L和C_OUT)充電，通過它們把能量傳遞給負(fù)載。在此期間，電感電流線性上升，電流回路如圖2中的回路1所示。

當(dāng)MOSFET斷開時，輸入電壓斷開與電感的連接，電感和輸出電容為負(fù)載供電。電感電流線性下降，電流流過二極管，電流回路如圖中的環(huán)路2所示。MOSFET的導(dǎo)通時間定義為PWM信號的占空比(D)。D把每個開關(guān)周期分成[D × t_S]和[(1 - D) × t_S]兩部分，它們分別對應(yīng)于MOSFET的導(dǎo)通時間(環(huán)路1)和二極管的導(dǎo)通時間(環(huán)路2)。所有SMPS拓?fù)?降壓、反相等)都采用這種方式劃分開關(guān)周期，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

對于降壓轉(zhuǎn)換電路，較大的占空比將向負(fù)載傳輸較多的能量，平均輸出電壓增加。相反，占空比較低時，平均輸出電壓也會降低。根據(jù)這個關(guān)系，可以得到以下理想情況下(不考慮二極管或MOSFET的壓降)降壓型SMPS的轉(zhuǎn)換公式：

V_OUT = D × V_IN
I_IN = D × I_OUT

需要注意的是，任何SMPS在一個開關(guān)周期內(nèi)處于某個狀態(tài)的時間越長，那么它在這個狀態(tài)所造成的損耗也越大。對于降壓型轉(zhuǎn)換器，D越低(相應(yīng)的V_OUT越低)，回路2產(chǎn)生的損耗也大。

開關(guān)器件的損耗

MOSFET傳導(dǎo)損耗

圖2 (以及其它絕大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?中的MOSFET和二極管是造成功耗的主要因素。相關(guān)損耗主要包括兩部分：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

MOSFET和二極管是開關(guān)元件，導(dǎo)通時電流流過回路。器件導(dǎo)通時，傳導(dǎo)損耗分別由MOSFET的導(dǎo)通電阻(R_DS(ON))和二極管的正向?qū)妷簺Q定。

MOSFET的傳導(dǎo)損耗(P_COND(MOSFET))近似等于導(dǎo)通電阻R_DS(ON)、占空比(D)和導(dǎo)通時MOSFET的平均電流(I_MOSFET(AVG))的乘積。

P_COND(MOSFET) (使用平均電流) = I_MOSFET(AVG)2 × R_DS(ON) × D

上式給出了SMPS中MOSFET傳導(dǎo)損耗的近似值，但它只作為電路損耗的估算值，因?yàn)殡娏骶€性上升時所產(chǎn)生的功耗大于由平均電流計算得到的功耗。對于“峰值”電流，更準(zhǔn)確的計算方法是對電流峰值和谷值(圖3中的I_V和I_P)之間的電流波形的平方進(jìn)行積分得到估算值。


圖3. 典型的降壓型轉(zhuǎn)換器的MOSFET電流波形，用于估算MOSFET的傳導(dǎo)損耗。

下式給出了更準(zhǔn)確的估算損耗的方法，利用I_P和I_V之間電流波形I2的積分替代簡單的I2項(xiàng)。

P_COND(MOSFET) (使用平均電流) = 12 × 0.1 × 0.5 = 0.050W

利用波形積分進(jìn)行更準(zhǔn)確的計算：

P_COND(MOSFET) (使用電流波形積分進(jìn)行計算) = [(1.753 - 0.253)/3] × 0.1 × 0.5 = 0.089W

或近似為78%，高于按照平均電流計算得到的結(jié)果。對于峰均比較小的電流波形，兩種計算結(jié)果的差別很小，利用平均電流計算即可滿足要求。

二極管傳導(dǎo)損耗

MOSFET的傳導(dǎo)損耗與R_DS(ON)成正比，二極管的傳導(dǎo)損耗則在很大程度上取決于正向?qū)妷?V_F)。二極管通常比MOSFET損耗更大，二極管損耗與正向電流、V_F和導(dǎo)通時間成正比。由于MOSFET斷開時二極管導(dǎo)通，二極管的傳導(dǎo)損耗(P_COND(DIODE))近似為：

P_COND(DIODE) = I_DIODE(ON) × V_F × (1 - D)

式中，I_DIODE(ON)為二極管導(dǎo)通期間的平均電流。圖2所示，二極管導(dǎo)通期間的平均電流為I_OUT，因此，對于降壓型轉(zhuǎn)換器，P_COND(DIODE)可以按照下式估算：

P_COND(DIODE) = I_OUT × V_F × (1 - V_OUT/V_IN)

與MOSFET功耗計算不同，采用平均電流即可得到比較準(zhǔn)確的功耗計算結(jié)果，因?yàn)槎O管損耗與I成正比，而不是I2。

顯然，MOSFET或二極管的導(dǎo)通時間越長，傳導(dǎo)損耗也越大。對于降壓型轉(zhuǎn)換器，輸出電壓越低，二極管產(chǎn)生的功耗也越大，因?yàn)樗幱趯?dǎo)通狀態(tài)的時間越長。

開關(guān)動態(tài)損耗

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)通需要一定時間，在這個過程中會產(chǎn)生功率損耗。

圖4所示MOSFET的漏源電壓(V_DS)和漏源電流(I_DS)的關(guān)系圖可以很好地解釋MOSFET在過渡過程中的開關(guān)損耗，從上半部分波形可以看出，t_SW(ON)和t_SW(OFF)期間電壓和電流發(fā)生瞬變，MOSFET的電容進(jìn)行充電、放電。

圖4所示，V_DS降到最終導(dǎo)通狀態(tài)(= I_D × R_DS(ON))之前，滿負(fù)荷電流(I_D)流過MOSFET。相反，關(guān)斷時，V_DS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4可以清楚地看到這一點(diǎn)。