一、效率估計
能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在能耗,雖然實際應(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)資料給出了實際測試得到的數(shù)據(jù),其他廠商也會給出實際測量的結(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。
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)明各點的開關(guān)波形,用于后續(xù)計算。
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。
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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)?降壓、反相等)都采用這種方式劃分開關(guān)周期,實現(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。
1、開關(guān)器件的損耗MOSFET傳導(dǎo)損耗
下式給出了更準(zhǔn)確的估算損耗的方法,利用IP和IV之間電流波形I2的積分替代簡單的I2項 PCOND(MOSFET) = [(IP3 - IV3)/3]×RDS(ON)×D = [(IP3 - IV3)/3]×RDS(ON)×VOUT/VIN式中,IP和IV分別對應(yīng)于電流波形的峰值和谷值,如圖3所示,MOSFET電流從IV線性上升到IP,例如:如果IV為0.25A,IP為1.75A,RDS(ON)為0.1Ω,VOUT為VIN/2 (D = 0.5),基于平均電流(1A)的計算結(jié)果為: PCOND(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: PCOND(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。
2、二極管傳導(dǎo)損耗
MOSFET的傳導(dǎo)損耗與RDS(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?VF)。二極管通常比MOSFET損耗更大,二極管損耗與正向電流、VF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(PCOND(DIODE))近似為:PCOND(DIODE) = IDIODE(ON)×VF×(1 - D)式中,IDIODE(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IOUT,因此,對于降壓型轉(zhuǎn)換器,PCOND(DIODE)可以按照下式估算:PCOND(DIODE) = IOUT×VF×(1 - VOUT/VIN)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,因為二極管損耗與I成正比,而不是Iout。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,因為它處于導(dǎo)通狀態(tài)的時間越長。
3、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(VDS)和漏源電流(IDS)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,tSW(ON)和tSW(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,VDS降到最終導(dǎo)通狀態(tài)(= ID×RDS(ON))之前,滿負(fù)荷電流(ID)流過MOSFET.相反,關(guān)斷時,VDS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。
這一點很容易理解,隨著開關(guān)頻率提高(周期縮短),開關(guān)過渡時間所占比例增大,從而增大開關(guān)損耗。開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中,開關(guān)時間是占空比的二十分之一對于效率的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)時間為占空比的十分之一的情況。由于開關(guān)損耗和頻率有很大的關(guān)系,工作在高頻時,開關(guān)損耗將成為主要的損耗因素。
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