降低 MOSFET功率损耗
降低 MOSFET功率损耗的直接途径是:选择低导通电阻 RDS(ON)、可快速切换的 MOSFET。
影响 MOSFET导通电阻的因素主要有以下几种:
(1)MOSFET的导通电阻随着芯片尺寸和漏源极击穿电压(VBR(DSS))的增大而增大,因为增加了 MOSFET 中的半导体材料。所以,相比较而言,过大尺寸的 MOSFET 会增大功率损耗。
(2)MOSFET的导通电阻受结温的影响,当 MOSFET 的结温升高时,MOSFET 导通电阻会相应增大。因此,必须保持较低的结温,使导通电阻 RDS(ON)不会过大。
(3)MOSFET的导通电阻和栅源电压成反比,较大栅源电压可以降低 MOSFET 的导通电阻,但是也会增大栅极驱动损耗,因此,需要平衡 MOSFET 导通电阻和栅极驱动损耗。
MOSFET 的开关损耗与寄生电容有关,较大的寄生电容需要较长的充电时间,使开关切换变缓,消耗更多能量。米勒电容通常在 MOSFET 数据资料中定义为反向传输电容(CRSS)或栅-漏电容(CGD),在开关过程中对切换时间起决定作用。
米勒电容的充电电荷用 QGD表示,为了快速切换 MOSFET,要求尽可能低的米勒电容。一般来说,MOSFET 的寄生电容和芯片尺寸成反比,因此必须折中考虑开关损耗和传导损耗,同时也要谨慎选择电路的开关频率。
降低二极管功率损耗
对于二极管,必须降低导通压降,以降低由此产生的损耗。对于小尺寸、额定电压较低的硅二极管,导通压降一般在 0.7V 到 1.5V 之间。二极管的尺寸、工艺和耐压等级都会影响导通压降和反向恢复时间,大尺寸和耐压值较高的二极管通常具有较高的 VF 和 tRR,这会造成比较大的损耗。
开关二极管一般以速度划分,分为快速(fast,)、高速(super fast)和超高速(ultrafast)二极管,反向恢复时间随着速度的提高而降低。快速恢复二极管的 tRR 为几百纳秒,而超高速快恢复二极管的 tRR 为几十纳秒。
对比 PN 结二极管和肖特基二极管可知:
(1)PN 结二极管往往具有较大的正向导通电压,较大的额定电压和电流,使得其适合于更高的功率应用。不过,即使经过优化的 VF 和 tRR,往往也不会应用在低功耗的场景,因为效率太低。
(2)肖特基二极管则往往应用在低功耗场景,因为具有较低的 VF(0.4V 至 1V)和极小的 tRR,特别适用于低功耗的开关电源中,尤其是低占空比的情况。
然而,在一些低压应用中,即便是具有较低压降的肖特基二极管,所产生的传导损耗也无法接受。比如,在输出为 1.5V 的电路中,即使使用 0.5V 导通压降 VF的肖特基二极管,二极管导通时也会产生 33%的输出电压损耗!
图 采用 MOSFET 代替二极管以降低损耗
为了解决这一问题,可以选择低导通电阻 RDS(ON)的 MOSFET 实现同步控制架构。用 MOSFET 取代二极管(如图所示),它与电源的主 MOSFET 同步工作,所以在交替切换的过程中,保证只有一个导通。
导通的二极管由导通的 MOSFET 所替代,二极管的高导通压降 VF被转换成 MOSFET 的低导通压降(MOSFET RDS(ON) * I),有效降低了二极管的传导损耗。
当然,同步整流 MOSFET 与二极管相比降低了压降,但也引入了驱动损耗。
影响开关电源效率的两个重要因素:MOSFET 和二极管。现代的开关电源控制器往往是将这两者连同反馈、诊断等功能集成到一个 IC 中,这样可以节省空间和降低寄生损耗,在一定程度上提供了电源效率。
降低无源器件的功率损耗
无源器件主要是电感和电容,降低这两种器件功率损耗的方法有:
(1)选择低 ESR 的电容;
(2)选择低 DSR 的电感;
优化电源控制架构
相较于固定 PWM 频率的控制架构,使用跳脉冲(PFM)的控制架构,更有利于提高开关电源的效率,尤其是在轻负载或负载范围较宽时。
跳脉冲模式下,在一段较长时间内电感放电,将能量从电感传递给负载,以维持输出电压。当然,随着负载吸收电流,输出电压也会跌落。当电压跌落到设置门限时,将开启一个新的开关周期,为电感充电并补充输出电压。
需要注意的是跳脉冲模式会产生与负载相关的输出噪声,这些噪声由于分布在不同频率(与固定频率的 PWM 控制架构不同),很难滤除。
现代的开关电源控制 IC 会合理利用两者的优势:重载时采用恒定 PWM 频率;轻载时采用跳脉冲模式以提高效率。
当负载增加到一个较高的有效值时,跳脉冲波形将转换到固定 PWM,此时负载下噪声很容易滤除。在整个工作范围内,器件根据需要选择跳脉冲模式和 PWM 模式,保持整体的最高效率。
如图所示。
图 开关电源中跳脉冲模式和固定 PWM 模式下的效率对比
固定 PWM 模式下的效率曲线(图中的 D、E、F),轻载时效率较低,但在重载时能够提供很高的转换效率(高达 98%)。
然而,跳脉冲模式下的效率曲线(图中的 A、B、C)能够在轻载时保持在较高水平。
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