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一个高质量电源效率可以达到怎样的水平

2019年11月02日 文章来源:网络整理 热度:174℃ 作者:刘英

能量转换系统必定存在能耗,虽然实际应用中无法获得100%的转换效率,但是,一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平,效率接近95%。绝大多数电源IC 的工作效率可以在特定的工作条件下测得,数据资料中给出了这些参数。一般厂商会给出实际测量的结果,但我们只能对我们自己的数据担保。图1 给出了一个SMPS 降压转换器的电路实例,转换效率可以达到97%,即使在轻载时也能保持较高效率。采用什么秘诀才能达到如此高的效率?我们最好从了解SMPS 损耗的公共问题开始,开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管),另外小部分损耗来自电感和电容。但是,如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。选择IC 时,需要考虑控制器的架构和内部元件,以期获得高效指标。例如,图1 采用了多种方法来降低损耗,其中包括:同步整流,芯片内部集成低导通电阻的MOSFET,低静态电流和跳脉冲控制模式。我们将在本文展开讨论这些措施带来的好处。

一个高质量电源效率可以达到怎样的水平

图1. 降压转换器集成了低导通电阻的MOSFET,采用同步整流,效率曲线如图所示。

降压型SMPS

损耗是任何SMPS 架构都面临的问题,我们在此以图2 所示降压型(或buck)转换器为例进行讨论,图中标明各点的开关波形,用于后续计算。

一个高质量电源效率可以达到怎样的水平

降压转换器的主要功能是把一个较高的直流输入电压转换成较低的直流输出电压。为了达到这个要求,MOSFET 以固定频率(fS),在脉宽调制信号(PWM)的控制下进行开、关操作。当MOSFET 导通时,输入电压给电感和电容(L 和COUT)充电,通过它们把能量传递给负载。在此期间,电感电流线性上升,电流回路如图2 中的回路1 所示。

当MOSFET 断开时,输入电压断开与电感的连接,电感和输出电容为负载供电。电感电流线性下降,电流流过二极管,电流回路如图中的环路2 所示。MOSFET 的导通时间定义为PWM 信号的占空比(D)。D 把每个开关周期分成[D × tS]和[(1 - D) × tS]两部分,它们分别对应于MOSFET 的导通时间(环路1)和二极管的导通时间(环路2)。所有SMPS 拓扑(降压、反相等)都采用这种方式划分开关周期,实现电压转换。

对于降压转换电路,较大的占空比将向负载传输较多的能量,平均输出电压增加。相反,占空比较低时,平均输出电压也会降低。根据这个关系,可以得到以下理想情况下(不考虑二极管或MOSFET 的压降)降压型SMPS 的转换公式:

VOUT = D × VIN

IIN = D × IOUT

需要注意的是,任何SMPS 在一个开关周期内处于某个状态的时间越长,那么它在这个状态所造成的损耗也越大。对于降压型转换器,D 越低(相应的VOUT 越低),回路2 产生的损耗也大。

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1、开关器件的损耗 MOSFET 传导损耗

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图2 (以及其它绝大多数DC-DC 转换器拓扑)中的MOSFET 和二极管是造成功耗的主要因素。相关损耗主要包括两部分:传导损耗和开关损耗。

MOSFET 和二极管是开关元件,导通时电流流过回路。器件导通时,传导损耗分别由MOSFET 的导通电阻(RDS(ON))和二极管的正向导通电压决定。

MOSFET 的传导损耗(PCOND(MOSFET))近似等于导通电阻RDS(ON)、占空比(D)和导通时MOSFET 的平均电流(IMOSFET(AVG))的乘积。

PCOND(MOSFET)?(使用平均电流) = IMOSFET(AVG)2 × RDS(ON)?× D

上式给出了SMPS 中MOSFET 传导损耗的近似值,但它只作为电路损耗的估算值,因为电流线性上升时所产生的功耗大于由平均电流计算得到的功耗。对于“峰值”电流,更准确的计算方法是对电流峰值和谷值(图3 中的IV 和IP)之间的电流波形的平方进行积分得到估算值。

一个高质量电源效率可以达到怎样的水平

图3. 典型的降压型转换器的MOSFET 电流波形,用于估算MOSFET 的传导损耗。

下式给出了更准确的估算损耗的方法,利用IP 和IV 之间电流波形I2的积分替代简单的I2项。

PCOND(MOSFET)?= [(IP3?- IV3)/3] × RDS(ON)?× D

= [(IP3?- IV3)/3] × RDS(ON)?× VOUT/VIN

式中,IP 和IV 分别对应于电流波形的峰值和谷值,如图3 所示。MOSFET 电流从IV 线性上升到IP,例如:如果IV 为0.25A,IP 为1.75A,RDS(ON)为0.1Ω,VOUT?为VIN/2 (D = 0.5),基于平均电流(1A)的计算结果为:

PCOND(MOSFET) (使用平均电流) = 12?× 0.1 × 0.5 = 0.050W

利用波形积分进行更准确的计算:

PCOND(MOSFET)?(使用电流波形积分进行计算) = [(1.753?- 0.253)/3] × 0.1 × 0.5 = 0.089W

或近似为78%,高于按照平均电流计算得到的结果。对于峰均比较小的电流波形,两种计算结果的差别很小,利用平均电流计算即可满足要求。

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2、二极管传导损耗

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