影響開(kāi)關(guān)模式、DC-DC轉(zhuǎn)換器效率的主要因

影響開(kāi)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(kāi)關(guān)電源(SMPS)中各個(gè)元器件損耗的計(jì)算和預(yù)測(cè)技術(shù)，并討論了提高開(kāi)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(kāi)關(guān)電源(SMPS)的重要指標(biāo)，特別是便攜式產(chǎn)品，延長(zhǎng)電池使用壽命是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于空間受限的設(shè)計(jì)或者是無(wú)法投入成本解決功率耗散問(wèn)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(jì)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(lái)達(dá)到高效指標(biāo)。本文介紹了影響開(kāi)關(guān)電源效率的基本因素，可以以此作為新設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。我們將從一般性介紹開(kāi)始，然后針對(duì)特定的開(kāi)關(guān)元件的損耗進(jìn)行討論。

效率估計(jì)

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在能耗，雖然實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法獲得100%的轉(zhuǎn)換效率，但是，一個(gè)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(cè)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(cè)試得到的數(shù)據(jù)，其他廠商也會(huì)給出實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，但我們只能對(duì)我們自己的數(shù)據(jù)擔(dān)保。圖1給出了一個(gè)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(shí)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(wèn)題開(kāi)始，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)，另外小部分損耗來(lái)自電感和電容。但是，如果使用非常廉價(jià)的電感和電容(具有較高電阻)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗明顯增大。

選擇IC時(shí)，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(lái)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(kāi)討論這些措施帶來(lái)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(wèn)題，我們?cè)诖艘?B>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(kāi)關(guān)波形，用于后續(xù)計(jì)算。


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

降壓轉(zhuǎn)換器的主要功能是把一個(gè)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(gè)要求，MOSFET以固定頻率(f_S)，在脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)的控制下進(jìn)行開(kāi)、關(guān)操作。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓給電感和電容(L和C_OUT)充電，通過(guò)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(kāi)時(shí)，輸入電壓斷開(kāi)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(guò)二極管，電流回路如圖中的環(huán)路2所示。MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間定義為PWM信號(hào)的占空比(D)。D把每個(gè)開(kāi)關(guān)周期分成[D × t_S]和[(1 - D) × t_S]兩部分，它們分別對(duì)應(yīng)于MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間(環(huán)路1)和二極管的導(dǎo)通時(shí)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(kāi)關(guān)周期，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

對(duì)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(shí)，平均輸出電壓也會(huì)降低。根據(jù)這個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)處于某個(gè)狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，那么它在這個(gè)狀態(tài)所造成的損耗也越大。對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。

MOSFET和二極管是開(kāi)關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)電流流過(guò)回路。器件導(dǎo)通時(shí)，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(shí)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(shí)所產(chǎn)生的功耗大于由平均電流計(jì)算得到的功耗。對(duì)于“峰值”電流，更準(zhǔn)確的計(jì)算方法是對(duì)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(jiǎn)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(jì)算：

P_COND(MOSFET) (使用電流波形積分進(jìn)行計(jì)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(jì)算得到的結(jié)果。對(duì)于峰均比較小的電流波形，兩種計(jì)算結(jié)果的差別很小，利用平均電流計(jì)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(shí)間成正比。由于MOSFET斷開(kāi)時(shí)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(duì)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(jì)算不同，采用平均電流即可得到比較準(zhǔn)確的功耗計(jì)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(shí)間越長(zhǎng)，傳導(dǎo)損耗也越大。對(duì)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(shí)間越長(zhǎng)。

開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)損耗

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(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(shí)間，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)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(guò)渡過(guò)程中的開(kāi)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(guò)MOSFET。相反，關(guān)斷時(shí)，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(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4可以清楚地看到這一點(diǎn)。


圖4. 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)損耗隨著SMPS頻率的升高而增大，這一點(diǎn)很容易理解，隨著開(kāi)關(guān)頻率提高(周期縮短)，開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)間所占比例增大，從而增大開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，開(kāi)關(guān)時(shí)間是占空比的二十分之一對(duì)于效率的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)時(shí)間為占空比的十分之一的情況。由于開(kāi)關(guān)損耗和頻率有很大的關(guān)系，工作在高頻時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗將成為主要的損耗因素。

MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗(P_SW(MOSFET))可以按照?qǐng)D3所示三角波進(jìn)行估算，公式如下：

P_SW(MOSFET) = 0.5 × V_D × I_D × (t_SW(ON) + t_SW(OFF)) × f_S

其中，V_D為MOSFET關(guān)斷期間的漏源電壓，I_D是MOSFET導(dǎo)通期間的溝道電流，t_SW(ON)和t_SW(OFF)是導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。對(duì)于降壓電路轉(zhuǎn)換，V_IN是MOSFET關(guān)斷時(shí)的電壓，導(dǎo)通時(shí)的電流為I_OUT。

為了驗(yàn)證MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，圖5給出了降壓轉(zhuǎn)換器中集成高端MOSFET的典型波形：V_DS和I_DS。電路參數(shù)為：V_IN = 10V、V_OUT = 3.3V、I_OUT = 500mA、R_DS(ON) = 0.1Ω、f_S = 1MHz、開(kāi)關(guān)瞬變時(shí)間(t_ON + t_OFF)總計(jì)為38ns。

在圖5可以看出，開(kāi)關(guān)變化不是瞬間完成的，電流和電壓波形交疊部分導(dǎo)致功率損耗。MOSFET“導(dǎo)通”時(shí)(圖2)，流過(guò)電感的電流I_DS線性上升，與導(dǎo)通邊沿相比，斷開(kāi)時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗更大。

利用上述近似計(jì)算法，MOSFET的平均損耗可以由下式計(jì)算：

PT(MOSFET) = P_COND(MOSFET) + P_SW(MOSFET)

= [(I₁³ - I₀³)/3] × R_DS(ON) × V_OUT/V_IN + 0.5 × V_IN × I_OUT × (t_SW(ON) + t_SW(OFF)) × f_S

= [(1³ - 0³)/3] × 0.1 × 3.3/10 + 0.5 × 10 × 0.5 × (38 × 10^-9) × 1 × 10⁶

= 0.011 + 0.095 = 106mW

這一結(jié)果與圖5下方曲線測(cè)量得到的117.4mW接近，注意：這種情況下，f_S足夠高，P_SW(MOSFET)是功耗的主要因素。


圖5. 降壓轉(zhuǎn)換器高端MOSFET的典型開(kāi)關(guān)周期，輸入10V、輸出3.3V (輸出電流500mA)。開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間是38ns。

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(fù)時(shí)間(t_RR)，二極管開(kāi)關(guān)損耗發(fā)生在二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟霓D(zhuǎn)換過(guò)程。

當(dāng)反向電壓加在二級(jí)管兩端時(shí)，正向?qū)娏髟诙O管上產(chǎn)生的累積電荷需要釋放，產(chǎn)生反向電流尖峰(I_RR(PEAK))，極性與正向?qū)娏飨喾矗瑥亩斐蒝 × I功率損耗，因?yàn)榉聪蚧謴?fù)期內(nèi)，反向電壓和反向電流同時(shí)存在于二極管。圖6給出了二極管在反向恢復(fù)期間的PN結(jié)示意圖。


圖6. 二極管結(jié)反偏時(shí)，需要釋放正向?qū)ㄆ陂g的累積電荷，產(chǎn)生峰值電流(I_RR(PEAK))。

了解了二極管的反向恢復(fù)特性，可以由下式估算二極管的開(kāi)關(guān)損耗(P_SW(DIODE))：

P_SW(DIODE) = 0.5 × V_REVERSE × I_RR(PEAK) × t_RR2 × f_S

其中，V_REVERSE是二極管的反向偏置電壓，I_RR(PEAK)是反向恢復(fù)電流的峰值，t_RR2是從反向電流峰值I_RR到恢復(fù)電流為正的時(shí)間。對(duì)于降壓電路，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通的時(shí)候，V_IN為MOSFET導(dǎo)通時(shí)二極管的反向偏置電壓。

為了驗(yàn)證二極管損耗計(jì)算公式，圖7顯示了典型的降壓轉(zhuǎn)換器中PN結(jié)的開(kāi)關(guān)波形，V_IN = 10V、V_OUT = 3.3V，測(cè)得I_RR(PEAK) = 250mA、I_OUT = 500mA、f_S = 1MHz、 t_RR2 = 28ns、V_F = 0.9V。利用這些數(shù)值可以得到：

該結(jié)果接近于圖7所示測(cè)量結(jié)果358.7mW?？紤]到較大的V_F和較長(zhǎng)的二極管導(dǎo)通周期，t_RR時(shí)間非常短，開(kāi)關(guān)損耗(P_SW(DIODE))在二極管損耗中占主導(dǎo)地位。


圖7. 降壓型轉(zhuǎn)換器中PN結(jié)開(kāi)關(guān)二極管的開(kāi)關(guān)波形，從10V輸入降至3.3V輸出，輸出電流為500mA。其它參數(shù)包括：1MHz的f_S，t_RR2為28ns，V_F = 0.9V。

提高效率

基于上述討論，通過(guò)哪些途徑可以降低電源的開(kāi)關(guān)損耗呢？直接途徑是：選擇低導(dǎo)通電阻R_DS(ON)、可快速切換的MOSFET；選擇低導(dǎo)通壓降V_F、可快速恢復(fù)的二極管。

直接影響MOSFET導(dǎo)通電阻的因素有幾點(diǎn)，通常增加芯片尺寸和漏源極擊穿電壓(V_BR(DSS))，由于增加了器件中的半導(dǎo)體材料，有助于降低導(dǎo)通電阻R_DS(ON)。另一方面，較大的MOSFET會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗。因此，雖然大尺寸MOSFET降低了R_DS(ON)，但也導(dǎo)致小器件可以避免的效率問(wèn)題。

當(dāng)管芯溫度升高時(shí)，MOSFET導(dǎo)通電阻會(huì)相應(yīng)增大。必須保持較低的結(jié)溫，使導(dǎo)通電阻R_DS(ON)不會(huì)過(guò)大。導(dǎo)通電阻R_DS(ON)和柵源偏置電壓成反比，因此，推薦使用足夠大的柵極電壓以降低R_DS(ON)損耗，但此時(shí)也會(huì)增大柵極驅(qū)動(dòng)損耗，需要平衡降低R_DS(ON)的好處和增大柵極驅(qū)動(dòng)的缺陷。

MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗與器件電容有關(guān)，較大的電容需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間，使開(kāi)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(C_RSS)或柵-漏電容(C_GD)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)切換時(shí)間起決定作用。

米勒電容的充電電荷用Q_GD表示，為了快速切換MOSFET，要求盡可能低的米勒電容。一般來(lái)說(shuō)，MOSFET的電容和芯片尺寸成反比，因此必須折衷考慮開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，同時(shí)也要謹(jǐn)慎選擇電路的開(kāi)關(guān)頻率。

對(duì)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(duì)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(jí)都會(huì)影響導(dǎo)通壓降和反向恢復(fù)時(shí)間，大尺寸二極管通常具有較高的V_F和t_RR，這會(huì)造成比較大的損耗。開(kāi)關(guān)二極管一般以速度劃分，分為“高速”、“甚高速”和“超高速”二極管，反向恢復(fù)時(shí)間隨著速度的提高而降低。快恢復(fù)二極管的t_RR為幾百納秒，而超高速快恢復(fù)二極管的t_RR為幾十納秒。

低功耗應(yīng)用中，替代快恢復(fù)二極管的一種選擇是肖特基二極管，這種二極管的恢復(fù)時(shí)間幾乎可以忽略，反向恢復(fù)電壓V_F也只有快恢復(fù)二極管的一半(0.4V至1V)，但肖特基二極管的額定電壓和電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于快恢復(fù)二極管，無(wú)法用于高壓或大功率應(yīng)用。另外，肖特基二極管與硅二極管相比具有較高的反向漏電流，但這些因素并不限制它在許多電源中的應(yīng)用。

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(wú)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V_F的肖特基二極管，二極管導(dǎo)通時(shí)也會(huì)產(chǎn)生33%的輸出電壓損耗！

為了解決這一問(wèn)題，可以選擇低導(dǎo)通電阻R_DS(ON)的MOSFET實(shí)現(xiàn)同步控制架構(gòu)。用MOSFET取代二極管(對(duì)比圖1和圖2電路)，它與電源的主MOSFET同步工作，所以在交替切換的過(guò)程中，保證只有一個(gè)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V_F被轉(zhuǎn)換成MOSFET的低導(dǎo)通壓降(MOSFET R_DS(ON) × I)，有效降低了二極管的傳導(dǎo)損耗。當(dāng)然，同步整流與二極管相比也只是降低了MOSFET的壓降，另一方面，驅(qū)動(dòng)同步整流MOSFET的功耗也不容忽略。

IC數(shù)據(jù)資料

以上討論了影響開(kāi)關(guān)電源效率的兩個(gè)重要因素(MOSFET和二極管)?；仡檲D1所示降壓電路，從數(shù)據(jù)資料中可以獲得影響控制器IC工作效率的主要因素。首先，開(kāi)關(guān)元件集成在IC內(nèi)部，可以節(jié)省空間、降低寄生損耗。其次，使用低導(dǎo)通電阻R_DS(ON)的MOSFET，在小尺寸集成降壓IC (如MAX1556)中，其nMOS和pMOS的導(dǎo)通電阻可以達(dá)到0.27Ω (典型值)和0.19Ω (典型值)。最后，使用的同步整流電路。對(duì)于500mA負(fù)載，占空比為50%的開(kāi)關(guān)電路，可以將低邊開(kāi)關(guān)(或二極管)的損耗從225mW (假設(shè)二極管壓降為1V)降至34mW。

合理選擇SMPS IC

合理選擇SMPS IC的封裝、控制架構(gòu)，并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可以有效提高轉(zhuǎn)換效率。

集成功率開(kāi)關(guān)

功率開(kāi)關(guān)集成到IC內(nèi)部時(shí)可以省去繁瑣的MOSFET或二極管選擇，而且使電路更加緊湊，由于降低了線路損耗和寄生效應(yīng)，可以在一定程度上提高效率。根據(jù)功率等級(jí)和電壓限制，可以把MOSFET、二極管(或同步整流MOSFET)集成到芯片內(nèi)部。將開(kāi)關(guān)集成到芯片內(nèi)部的另一個(gè)好處是柵極驅(qū)動(dòng)電路的尺寸已經(jīng)針對(duì)片內(nèi)MOSFET進(jìn)行了優(yōu)化，因而無(wú)需將時(shí)間浪費(fèi)在未知的分立MOSFET上。

靜態(tài)電流

電池供電設(shè)備特別關(guān)注IC規(guī)格中的靜態(tài)電流(I_Q)，它是維持電路工作所需的電流。重載情況下(大于十倍或百倍的靜態(tài)電流I_Q)，I_Q對(duì)效率的影響并不明顯，因?yàn)樨?fù)載電流遠(yuǎn)大于I_Q，而隨著負(fù)載電流的降低，效率有下降的趨勢(shì)，因?yàn)镮_Q對(duì)應(yīng)的功率占總功率的比例提高。這一點(diǎn)對(duì)于大多數(shù)時(shí)間處于休眠模式或其它低功耗模式的應(yīng)用尤其重要，許多消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品即使在“關(guān)閉”狀態(tài)下，也需要保持鍵盤(pán)掃描或其它功能的供電，這時(shí)，無(wú)疑需要選擇具有極低I_Q的電源。

電源架構(gòu)對(duì)效率的提高

SMPS的控制架構(gòu)是影響開(kāi)關(guān)電源效率的關(guān)鍵因素之一。這一點(diǎn)我們已經(jīng)在同步整流架構(gòu)中討論過(guò)，由于采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET取代了功耗較大的開(kāi)關(guān)二極管，可有效改善效率指標(biāo)。

另一種重要的控制架構(gòu)是針對(duì)輕載工作或較寬的負(fù)載范圍設(shè)計(jì)的，即跳脈沖模式，也稱(chēng)為脈沖頻率調(diào)制(PFM)。與單純的PWM開(kāi)關(guān)操作(在重載和輕載時(shí)均采用固定的開(kāi)關(guān)頻率)不同，跳脈沖模式下轉(zhuǎn)換器工作在跳躍的開(kāi)關(guān)周期，可以節(jié)省不必要的開(kāi)關(guān)操作，進(jìn)而提高效率。

跳脈沖模式下，在一段較長(zhǎng)時(shí)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(huì)跌落。當(dāng)電壓跌落到設(shè)置門(mén)限時(shí)，將開(kāi)啟一個(gè)新的開(kāi)關(guān)周期，為電感充電并補(bǔ)充輸出電壓。

需要注意的是跳脈沖模式會(huì)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。

先進(jìn)的SMPS IC會(huì)合理利用兩者的優(yōu)勢(shì)：重載時(shí)采用恒定PWM頻率；輕載時(shí)采用跳脈沖模式以提高效率，圖1所示IC即提供了這樣的工作模式。

當(dāng)負(fù)載增加到一個(gè)較高的有效值時(shí)，跳脈沖波形將轉(zhuǎn)換到固定PWM，在標(biāo)稱(chēng)負(fù)載下噪聲很容易濾除。在整個(gè)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(圖8)。

圖8中的曲線D、E、F所示效率曲線在固定PWM模式下，輕載時(shí)效率較低，但在重載時(shí)能夠提供很高的轉(zhuǎn)換效率(高達(dá)98%)。如果設(shè)置在輕載下保持固定PWM工作模式，IC將不會(huì)按照負(fù)載情況更改工作模式。這種情況下能夠使紋波保持在固定頻率，但浪費(fèi)了一定功率。重載時(shí)，維持PWM開(kāi)關(guān)操作所需的額外功率很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸出功率。另一方面，跳脈沖“空閑”模式下的效率曲線(圖8中的A、B、C)能夠在輕載時(shí)保持在較高水平，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)只在負(fù)載需要時(shí)開(kāi)啟。對(duì)7V輸入曲線，在1mA負(fù)載的空閑模式下能夠獲得高于60%的效率。


圖8. 降壓轉(zhuǎn)換器在PWM和空閑(跳脈沖)模式下效率曲線，注意：輕載時(shí)，空閑模式下的效率高于PWM模式。

優(yōu)化SMPS

開(kāi)關(guān)電源因其高效率指標(biāo)得到廣泛應(yīng)用，但其效率仍然受SMPS電路的一些固有損耗的制約。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，需要仔細(xì)研究造成SMPS損耗的來(lái)源，合理選擇SMPS IC，從而充分利用器件的優(yōu)勢(shì)，為了在保持盡可能低的電路成本，甚至不增加電路成本的前提下獲得高效的SMPS，工程師需要做出全面的選擇。

無(wú)源元件損耗

我們已經(jīng)了解MOSFET和二極管會(huì)導(dǎo)致SMPS損耗。采用高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)器件能夠大大提升效率，但它們并不是唯一能夠優(yōu)化電源效率的元件。

圖1詳細(xì)介紹了一個(gè)典型的降壓型轉(zhuǎn)換器IC的基本電路。該控制IC集成了兩個(gè)同步整流MOSFET，低R_DS(ON) MOSFET，效率可達(dá)97%。這個(gè)電路中，開(kāi)關(guān)元件集成在IC內(nèi)部，已經(jīng)為具體應(yīng)用預(yù)先選擇了元器件。然而，為了進(jìn)一步提高效率，設(shè)計(jì)人員還需關(guān)注無(wú)源元件—外部電感和電容，了解它們對(duì)功耗的影響。

電感功耗

阻性損耗

電感功耗包括線圈損耗和磁芯損耗兩個(gè)基本因素，線圈損耗歸結(jié)于線圈的直流電阻(DCR)，磁芯損耗歸結(jié)于電感的磁特性。

DCR定義為以下電阻公式：

式中，ρ為線圈材料的電阻系數(shù)，l為線圈長(zhǎng)度，A為線圈橫截面積。

DCR將隨著線圈長(zhǎng)度的增大而增大，隨著線圈橫截面積的增大而減小?？梢岳迷撛瓌t判斷標(biāo)準(zhǔn)電感，確定所要求的不同電感值和尺寸。對(duì)一個(gè)固定的電感值，電感尺寸較小時(shí)，為了保持相同匝數(shù)必須減小線圈的橫截面積，因此導(dǎo)致DCR增大；對(duì)于給定的電感尺寸，小電感值通常對(duì)應(yīng)于小的DCR，因?yàn)檩^少的線圈數(shù)減少了線圈長(zhǎng)度，可以使用線徑較粗的導(dǎo)線。

已知DCR和平均電感電流(具體取決于SMPS拓?fù)?，電感的電阻損耗(P_L(DCR))可以用下式估算：

P_L(DCR) = L_AVG2 × DCR

這里，I_L(AVG)是流過(guò)電感的平均直流電流。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，平均電感電流是直流輸出電流。盡管DCR的大小直接影響電感電阻的功耗，該功耗與電感電流的平方成正比，因此，減小DCR是必要的。

另外，還需要注意的是：利用電感的平均電流計(jì)算P_L(DCR) (如上述公式)時(shí)，得到的結(jié)果略低于實(shí)際損耗，因?yàn)閷?shí)際電感電流為三角波。本文前面介紹的MOSFET傳導(dǎo)損耗計(jì)算中，利用對(duì)電感電流的波形進(jìn)行積分可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。更準(zhǔn)確。當(dāng)然也更復(fù)雜的計(jì)算公式如下：

P_L(DCR) = (I_P3 - I_V3)/3 × DCR

式中I_P和I_V為電感電流波形的峰值和谷值。

磁芯損耗

磁芯損耗并不像傳導(dǎo)損耗那樣容易估算，很難估測(cè)。它由磁滯、渦流損耗組成，直接影響鐵芯的交變磁通。SMPS中，盡管平均直流電流流過(guò)電感，由于通過(guò)電感的開(kāi)關(guān)電壓的變化產(chǎn)生的紋波電流導(dǎo)致磁芯周期性的磁通變化。

磁滯損耗源于每個(gè)交流周期中磁芯偶極子的重新排列所消耗的功率，可以將其看作磁場(chǎng)極性變化時(shí)偶極子相互摩擦產(chǎn)生的“摩擦”損耗，正比于頻率和磁通密度。

相反，渦流損耗則是磁芯中的時(shí)變磁通量引入的。由法拉第定律可知：交變磁通產(chǎn)生交變電壓。因此，這個(gè)交變電壓會(huì)產(chǎn)生局部電流，在磁芯電阻上產(chǎn)生I2R損耗。

磁芯材料對(duì)磁芯損耗的影響很大。SMPS電源中普遍使用的電感是鐵粉磁芯，鐵鎳鉬磁粉芯(MPP)的損耗最低，鐵粉芯成本最低，但磁芯損耗較大。

磁芯損耗可以通過(guò)計(jì)算磁芯磁通密度(B)的最大變化量估算，然后查看電感或鐵芯制造商提供的磁通密度和磁芯損耗(和頻率)圖表。峰值磁通密度可以通過(guò)幾種方式計(jì)算，公式可以在電感數(shù)據(jù)資料中的磁芯損耗曲線中找到。

相應(yīng)地，如果磁芯面積和線圈數(shù)已知，可利用下式估計(jì)峰值磁通：

這里，B是峰值磁通密度(高斯)，L是線圈電感(亨)，ΔI是電感紋波電流峰峰值(安培)，A是磁芯橫截面積(cm2)，N是線圈匝數(shù)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，可以方便地從網(wǎng)上下載資料、搜索器件信息，一些制造商提供了交互式電感功耗的計(jì)算軟件，幫助設(shè)計(jì)者估計(jì)功耗。使用這些工具能夠快捷、準(zhǔn)確地估計(jì)應(yīng)用電路中的功率損耗。例如，Coilcraft提供的在線電感磁芯損耗和銅耗計(jì)算公式，簡(jiǎn)單輸入一些數(shù)據(jù)即可得到所選電感的磁芯損耗和銅耗。

電容損耗

與理想的電容模型相反，電容元件的實(shí)際物理特性導(dǎo)致了幾種損耗。電容在SMPS電路中主要起穩(wěn)壓、濾除輸入/輸出噪聲的作用(圖1)，電容的這些損耗降低了開(kāi)關(guān)電源的效率。這些損耗主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：等效串聯(lián)電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗。

電容的阻性損耗顯而易見(jiàn)。既然電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期流入、流出電容，電容固有的電阻(R_C)將造成一定功耗。漏電流損耗是由于電容絕緣材料的電阻(R_L)導(dǎo)致較小電流流過(guò)電容而產(chǎn)生的功率損耗。電介質(zhì)損耗比較復(fù)雜，由于電容兩端施加了交流電壓，電容電場(chǎng)發(fā)生變化，從而使電介質(zhì)分子極化造成功率損耗。


圖9. 電容損耗模型一般簡(jiǎn)化為一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)

所有三種損耗都體現(xiàn)在電容的典型損耗模型中(圖9左邊部分)，用電阻代表每項(xiàng)損耗。與電容儲(chǔ)能相關(guān)的每項(xiàng)損耗的功率用功耗系數(shù)(DF)表示，或損耗角正切(δ)。每項(xiàng)損耗的DF可以通過(guò)由電容阻抗的實(shí)部與虛部比得到，可以將每項(xiàng)損耗分別插入模型中。

為簡(jiǎn)化損耗模型，圖9中的接觸電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗集中等效為一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)。ESR定義為電容阻抗中消耗有功功率的部分。

推算電容阻抗模型、計(jì)算ESR (結(jié)果的實(shí)部)時(shí)，ESR是頻率的函數(shù)。這種相關(guān)性可以在下面簡(jiǎn)化的ESR等式中得到證明：

式中，DF_R、DF_L和DF_D是接觸電阻、漏電流和電介質(zhì)損耗的功耗系數(shù)。

利用這個(gè)等式，我們可以觀察到隨著信號(hào)頻率的增加，漏電流損耗和電介質(zhì)損耗都有所減小，直到接觸電阻損耗從一個(gè)較高頻點(diǎn)開(kāi)始占主導(dǎo)地位。在該頻點(diǎn)(式中沒(méi)有包括該參數(shù))以上，ESR因?yàn)楦哳l交流電流的趨膚效應(yīng)趨于增大。

許多電容制造商提供ESR曲線圖表示ESR與頻率的關(guān)系。例如，TDK為其大多數(shù)電容產(chǎn)品提供了ESR曲線，參考這些與開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)曲線圖，得到ESR值。

然而，如果沒(méi)有ESR曲線圖，可以通過(guò)電容數(shù)據(jù)資料中的DF規(guī)格粗略估算ESR。DF是電容的整體DF (包括所有損耗)，也可以按照下式估算ESR：

無(wú)論采用哪種方法來(lái)得到ESR值，直覺(jué)告訴我們，高ESR會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源效率，既然輸入和輸出電容在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期通過(guò)ESR充電、放電。這導(dǎo)致I2 × R_ESR功率損耗。這個(gè)損耗(P_CAP(ESR))可以按照下式計(jì)算：

P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)2 × ESR

式中，I_CAP(RMS)是流經(jīng)電容的交流電流有效值RMS。對(duì)降壓電路的輸出電容，可以采用電感紋波電流的有效值RMS。輸入濾波電容的RMS電流的計(jì)算比較復(fù)雜，可以按照下式得到一個(gè)合理的估算值：

I_CIN(RMS) = I_OUT/V_IN × [V_OUT (V_IN - V_OUT)]^1/2

顯然，為減小電容功率損耗，應(yīng)選擇低ESR電容，有助于SMPS電源降低紋波電流。ESR是產(chǎn)生輸出電壓紋波的主要原因，因此選擇低ESR的電容不僅僅單純提高效率，還能得到其它好處。

一般來(lái)說(shuō)，不同類(lèi)型電介質(zhì)的電容具有不同的ESR等級(jí)。對(duì)于特定的容量和額定電壓，鋁電解電容和鉭電容就比陶瓷電容具有更高的ESR值。聚酯和聚丙烯電容的ESR值介于它們之間，但這些電容尺寸較大，SMPS中很少使用。

對(duì)于給定類(lèi)型的電容，較大容量、較低的Df_S能夠提供較低的ESR。大尺寸電容通常也會(huì)降低ESR，但電解電容會(huì)帶來(lái)較大的等效串聯(lián)電感。陶瓷電容被視為比較好的折中選擇，此外，電容值一定的條件下，較低的電容額定電壓也有助于減小ESR。