開關電源電路設計秘笈之發揮電源效率最大化

在本篇電源設計秘笈中，我們將討論如何使用相同的級數最大化特定負載電流的電源效率。我們建議使用如下輸出電流函數來計算電源損耗：

下一步是利用上述簡單表達式，并將其放入效率方程式中：

這樣，輸出電流的效率就得到了優化(具體論證工作留給學生去完成)。這種優化可產生一個有趣的結果。

當輸出電流等于如下表達式時，效率將會最大化。

需要注意的第一件事是，a1項對效率達到最大時的電流不產生影響。這是由于它與損耗相關，而上述損耗又與諸如二極管結點的輸出電流成比例關系。因此，當輸出電流增加時，上述損耗和輸出功率也會隨之增加，并且對效率沒有影響。需要注意的第二件事是，最佳效率出現在固定損耗和傳導損耗相等的某個點上。這就是說，只要控制設置a0和a2值的組件，便能夠獲得最佳效率。還是要努力減小a1的值，并提高效率。控制該項所得結果對所有負載電流而言均相同，因此如其他項一樣沒有出現最佳效率。a1項的目標是在控制成本的同時達到最小化。

表1概括總結了各種電源損耗項及其相關損耗系數，該表提供了一些最佳化電源效率方面的折中方法。例如，功率MOSFET導通電阻的選擇會影響其柵極驅動要求及Coss損耗和潛在的緩沖器損耗。低導通電阻意味著，柵極驅動、Coss和緩沖器損耗逆向增加。因此，您可通過選擇MOSFET來控制a0和a2。

代數式下一位將最佳電流代回到效率方程式中，解得最大效率為：

需要最小化該表達式中的最后兩項，以最佳化效率。a1項很簡單，只需對其最小化即可。末尾項能夠實現部分優化。如果假設MOSFET的Coss和柵極驅動功率與其面積相關，同時其導通電阻與面積成反比，則可以為它選擇最佳面積(和電阻)。圖12.1顯示了裸片面積的優化結果。裸片面積較小時，MOSFET的導通電阻變為效率限制器。隨著裸片面積增加，驅動和Coss損耗也隨之增加。

圖12.2是圍繞圖12.1最佳點的三種可能設計效率圖。圖中分別顯示了三種設計的正常裸片面積。輕負載情況下，較大面積裸片的效率會受不斷增加的驅動損耗影響，而在重負載條件下小尺寸器件因高傳導損耗而變得不堪重負。這些曲線代表裸片面積和成本的三比一變化，注意這一點非常重要。正常芯片面積設計的效率只比滿功率大面積設計的效率稍低一點，而在輕載條件下(設計常常運行在這種負載條件下)則更高。