開關電源的影響的主要因素

效率是任何開關電源的基本指標，任何開關電源的設計考首先需要考慮的是效率優化，特別是便攜式產品，因為高效率有助于延長電池的工作時間，消費者可以有更多時間享受便攜產品的各種功能。開關電源設計中，為獲得最高轉換效率，工程師必須了解轉換電路中產生損耗的機制，以尋求降低損耗的途徑。另外，工程師還要熟悉開關電源器件的各種特點，以選擇最合適的芯片來達到高效指標。

本文介紹了影響開關電源效率的基本因素，并提供了一些關于降低開關電源損耗的方法。

效率估計

能量轉換系統必定存在效率損耗，因此，在實際應用中我們只能盡可能地獲得接近100%的轉換效率。目前市場上一些高質量開關電源的效率可以達到95%左右。圖1所示電路的效率可以達到97%，但在輕載時效率有所降低。

開關電源的損耗大部分來自開關器件(MOSFET和二極管)，另外一部分損耗來自電感和電容。選擇開關電源器件時，需要考慮控制器的架構和內部元件，以期獲得高效指標。圖1采用了多種方法來降低能量損耗，例如：同步整流，芯片內部集成低導通電阻的MOSFET，低靜態電流和跳脈沖控制模式。

圖1MAX1556降壓控制器的應用電路

開關器件的損耗

MOSFET和二極管由于其自身特性，會大大降低系統效率。相關損耗主要分成兩部分：傳導損耗和開關損耗。簡單地說，任何電流回路都存在損耗電阻，造成能量損耗。MOSFET和二極管是開關元件，導通時電流流過MOSFET或二極管，會有導通壓降。由于MOSFET只有在導通時才有電流流過，MOSFET的傳導損耗與其導通電阻、占空比和導通時的電流有關：

PCONDMOSFET = IMOSFETONavg 2 ×RDSON ×D

式1中，IMOSFETONavg是MOSFET在導通時的平均電流。MOSFET的傳導損耗的起因是導通電阻，導通電阻通常非常小。二極管的傳導損耗則取決于自身的導通壓降(VF)，導通壓降相對較大。因此，二極管與MOSFET相比會引入更大的傳導損耗。二極管的傳導損耗由導通電流、導通壓降、導通時間決定。MOSFET關斷時，二極管導通，二極管的傳導損耗可以由以下公式計算：

PCONDDIODE = IDIODEONavg ×VF×(1-D)

IDIODEONavg是二極管導通時的平均電流。從公式可以看出，導通時間越長，相關的傳導損耗越大。降壓電路中，輸出電壓越低，二極管的導通時間越長，相應的傳導損耗也越大。

由于開關損耗是由開關的非理想狀態引起的，很難估算MOSFET和二極管的開關損耗，器件從完全導通到完全關閉或從完全關閉到完全導通需要一定時間，在這個過程中會產生能量損耗。圖2所示MOSFET的漏源電壓和漏源電流的關系圖可以很好地解釋MOSFET的開關損耗，從上半部分波形可以看出，在MOSFET的開關過程中，由于對MOSFET的電容充電、放電，其電流和電壓不能突變。圖中，VDS降到最終狀態(=ID×RDSON)之前，滿負荷電流將流過MOSFET。相反，關斷時，VDS在MOSFET電流下降到零值之前逐漸上升到關斷狀態的最終值。開關過程中，電壓和電流的交疊部分即為造成開關損耗的來源，從圖2可以清楚地看到這一點。

圖2開關損耗發生在MOSFET通斷期間的過渡過程

開關過渡時間與頻率無關，因此開關頻率越高開關損耗也越大。這一點很容易理解，開關周期變短時，MOSFET的開關過渡時間所占比例會大大增加，從而增大開關損耗。

與MOSFET相同，二極管也存在開關損耗。這個損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復時間，發生在二極管從正向導通到反向截止的轉換過程。當反向電壓加在二級管兩端時，電流會對二極管充電，產生反向電流尖峰(IRRPEAK)，從而造成V × I能量損耗，因為反向電流和反向電壓同時存在于二極管。圖3給出了二極管在反向恢復時的示意圖。

圖3反向電壓加在二級管時由于正向電流造成的累積電荷的釋放形成了電流尖峰

了解了二極管的反向特性，可以由下式估算二極管的開關損耗：

PSWDIODE ≈ 0.5×VREVERSE×IRRPEAK×tRR2×fs