开关电源的主要损耗

分享到:

开关电源现在是运用的非常广了,但是任何电源都有一定的能量损耗,电脑电源就分了许多的转换类型和效率。实际应用中无法获得100%的转换效率,但是,一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平,效率接近95%。绝大多数电源IC 的工作效率可以在特定的工作条件下测得,数据资料中给出了这些参数。

一般厂商会给出实际测量的结果,但我们只能对我们自己的数据担保。开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管),另外小部分损耗来自电感和电容。但是,如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。选择IC 时,需要考虑控制器的架构和内部元件,以期获得高效指标。

1.开关器件的损耗 MOSFET 传导损耗

绝大多数DC-DC 转换器中的MOSFET 和二极管是造成功耗有损损耗的主要因素。相关损耗主要包括两部分:传导损耗和开关损耗。MOSFET 和二极管是开关元件,导通时电流流过回路。器件导通时,传导损耗分别由MOSFET 的导通电阻和二极管的正向导通电压决定。

MOSFET 的传导损耗(PCOND(MOSFET))近似等于导通电阻RDS(ON)、占空比(D)和导通时MOSFET 的平均电流(IMOSFET(AVG))的乘积。

2.二极管传导损耗

二极管的传导损耗则在很大程度上取决于正向导通电压(VF)。二极管通常比MOSFET 损耗更大,二极管损耗与正向电流、VF 和导通时间成正比。MOSFET 或二极管的导通时间越长,传导损耗也越大。对于降压型转换器,输出电压越低,二极管产生的功耗也越大,因为它处于导通状态的时间越长。

3.开关动态损耗

由于开关损耗是由开关的非理想状态引起的,很难估算MOSFET 和二极管的开关损耗,器件从完全导通到完全关闭或从完全关闭到完全导通需要一定时间,在这个过程中会产生功率损。从上半部分波形可以看出,tSW(ON)和tSW(OFF)期间电压和电流发生瞬变,MOSFET 的电容进行充电、放电。

选择低导通电阻RDS(ON)、可快速切换的MOSFET;选择低导通压降VF、可快速恢复的二极管直接可以降低电源的开关损耗。

4.集成功率开关

功率开关集成到IC 内部时可以省去繁琐的MOSFET 或二极管选择,而且使电路更加紧凑,由于降低了线路损耗和寄生效应,可以在一定程度上提高效率。根据功率等级和电压限制,可以把MOSFET、二极管(或同步整流MOSFET)集成到芯片内部。将开关集成到芯片内部的另一个好处是栅极驱动电路的尺寸已经针对片内MOSFET 进行了优化,因而无需将时间浪费在未知的分立MOSFET 上。

5.无源元件损耗

我们已经了解MOSFET 和二极管会导致SMPS 损耗。采用高品质的开关器件能够大大提升效率,但它们并不是唯一能够优化电源效率的元件。在集成了两个同步整流MOSFET,低RDS(ON) MOSFET,效率很高。这个电路中,开关元件集成在IC 内部,已经为具体应用预先选择了元器件。然而,为了进一步提高效率,设计人员还需关注无源元件—外部电感和电容,了解它们对功耗的影响。

 

继续阅读
开关电源的主要损耗

一般厂商会给出实际测量的结果,但我们只能对我们自己的数据担保。开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管),另外小部分损耗来自电感和电容。但是,如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。选择IC 时,需要考虑控制器的架构和内部元件,以期获得高效指标。