降低 MOSFET功率損耗
降低 MOSFET功率損耗的直接途徑是:選擇低導通電阻 RDS(ON)、可快速切換的 MOSFET。
影響 MOSFET導通電阻的因素主要有以下幾種:
(1)MOSFET的導通電阻隨著芯片尺寸和漏源極擊穿電壓(VBR(DSS))的增大而增大,因為增加了 MOSFET 中的半導體材料。所以,相比較而言,過大尺寸的 MOSFET 會增大功率損耗。
(2)MOSFET的導通電阻受結溫的影響,當 MOSFET 的結溫升高時,MOSFET 導通電阻會相應增大。因此,必須保持較低的結溫,使導通電阻 RDS(ON)不會過大。
(3)MOSFET的導通電阻和柵源電壓成反比,較大柵源電壓可以降低 MOSFET 的導通電阻,但是也會增大柵極驅動損耗,因此,需要平衡 MOSFET 導通電阻和柵極驅動損耗。
MOSFET 的開關損耗與寄生電容有關,較大的寄生電容需要較長的充電時間,使開關切換變緩,消耗更多能量。米勒電容通常在 MOSFET 數據資料中定義為反向傳輸電容(CRSS)或柵-漏電容(CGD),在開關過程中對切換時間起決定作用。
米勒電容的充電電荷用 QGD表示,為了快速切換 MOSFET,要求盡可能低的米勒電容。一般來說,MOSFET 的寄生電容和芯片尺寸成反比,因此必須折中考慮開關損耗和傳導損耗,同時也要謹慎選擇電路的開關頻率。
降低二極管功率損耗
對于二極管,必須降低導通壓降,以降低由此產生的損耗。對于小尺寸、額定電壓較低的硅二極管,導通壓降一般在 0.7V 到 1.5V 之間。二極管的尺寸、工藝和耐壓等級都會影響導通壓降和反向恢復時間,大尺寸和耐壓值較高的二極管通常具有較高的 VF 和 tRR,這會造成比較大的損耗。
開關二極管一般以速度劃分,分為快速(fast,)、高速(super fast)和超高速(ultrafast)二極管,反向恢復時間隨著速度的提高而降低。快速恢復二極管的 tRR 為幾百納秒,而超高速快恢復二極管的 tRR 為幾十納秒。
對比 PN 結二極管和肖特基二極管可知:
(1)PN 結二極管往往具有較大的正向導通電壓,較大的額定電壓和電流,使得其適合于更高的功率應用。不過,即使經過優(yōu)化的 VF 和 tRR,往往也不會應用在低功耗的場景,因為效率太低。
(2)肖特基二極管則往往應用在低功耗場景,因為具有較低的 VF(0.4V 至 1V)和極小的 tRR,特別適用于低功耗的開關電源中,尤其是低占空比的情況。
然而,在一些低壓應用中,即便是具有較低壓降的肖特基二極管,所產生的傳導損耗也無法接受。比如,在輸出為 1.5V 的電路中,即使使用 0.5V 導通壓降 VF的肖特基二極管,二極管導通時也會產生 33%的輸出電壓損耗!
圖 采用 MOSFET 代替二極管以降低損耗
為了解決這一問題,可以選擇低導通電阻 RDS(ON)的 MOSFET 實現(xiàn)同步控制架構。用 MOSFET 取代二極管(如圖所示),它與電源的主 MOSFET 同步工作,所以在交替切換的過程中,保證只有一個導通。
導通的二極管由導通的 MOSFET 所替代,二極管的高導通壓降 VF被轉換成 MOSFET 的低導通壓降(MOSFET RDS(ON) * I),有效降低了二極管的傳導損耗。
當然,同步整流 MOSFET 與二極管相比降低了壓降,但也引入了驅動損耗。
影響開關電源效率的兩個重要因素:MOSFET 和二極管。現(xiàn)代的開關電源控制器往往是將這兩者連同反饋、診斷等功能集成到一個 IC 中,這樣可以節(jié)省空間和降低寄生損耗,在一定程度上提供了電源效率。
降低無源器件的功率損耗
無源器件主要是電感和電容,降低這兩種器件功率損耗的方法有:
(1)選擇低 ESR 的電容;
(2)選擇低 DSR 的電感;
優(yōu)化電源控制架構
相較于固定 PWM 頻率的控制架構,使用跳脈沖(PFM)的控制架構,更有利于提高開關電源的效率,尤其是在輕負載或負載范圍較寬時。
跳脈沖模式下,在一段較長時間內電感放電,將能量從電感傳遞給負載,以維持輸出電壓。當然,隨著負載吸收電流,輸出電壓也會跌落。當電壓跌落到設置門限時,將開啟一個新的開關周期,為電感充電并補充輸出電壓。
需要注意的是跳脈沖模式會產生與負載相關的輸出噪聲,這些噪聲由于分布在不同頻率(與固定頻率的 PWM 控制架構不同),很難濾除。
現(xiàn)代的開關電源控制 IC 會合理利用兩者的優(yōu)勢:重載時采用恒定 PWM 頻率;輕載時采用跳脈沖模式以提高效率。
當負載增加到一個較高的有效值時,跳脈沖波形將轉換到固定 PWM,此時負載下噪聲很容易濾除。在整個工作范圍內,器件根據需要選擇跳脈沖模式和 PWM 模式,保持整體的最高效率。
如圖所示。
圖 開關電源中跳脈沖模式和固定 PWM 模式下的效率對比
固定 PWM 模式下的效率曲線(圖中的 D、E、F),輕載時效率較低,但在重載時能夠提供很高的轉換效率(高達 98%)。
然而,跳脈沖模式下的效率曲線(圖中的 A、B、C)能夠在輕載時保持在較高水平。
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