影響DC-DC轉(zhuǎn)換器效率的因素分析

本文詳細(xì)介紹了開關(guān)電源（SMPS）中各個元器件損耗的計(jì)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)，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(jì)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。
　　一、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。
　　二、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(jì)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（fS），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COUT）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×tS］和［（1 - D）×tS］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)洌ń祲?、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：VOUT = D×VIN IIN = D×IOUT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VOUT越低），回路2產(chǎn)生的損耗也大。