資料介紹
本文詳細(xì)介紹了開關(guān)電源(SMPS)中各個元器件損耗的計算和預(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,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
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。
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)明各點的開關(guān)波形,用于后續(xù)計算。
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祲骸⒎聪嗟龋┒疾捎眠@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。
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。
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)明各點的開關(guān)波形,用于后續(xù)計算。
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祲骸⒎聪嗟龋┒疾捎眠@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。
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