電源設(shè)計小貼士12：電源效率最大化
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在《電源設(shè)計小貼士 11》中，我們討論了如何利用泰勒級數(shù) (Taylor series) 查找電源中的損耗源。在本篇電源設(shè)計小貼士中，我們將討論如何使用相同的級數(shù)最大化特定負載電流的電源效率。在《電源設(shè)計小貼士 11》中，我們建議使用如下輸出電流函數(shù)來計算電源損耗：
本文引用地址：http://yuyingmama.com.cn/article/104416.htm
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(yōu)化（具體論證工作留給學(xué)生去完成）。這種優(yōu)化可產(chǎn)生一個有趣的結(jié)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(chǎn)生影響。這是由于它與損耗相關(guān)，而上述損耗又與諸如二極管結(jié)點的輸出電流成比例關(guān)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(xiàn)在固定損耗和傳導(dǎo)損耗相等的某個點上。這就是說，只要控制設(shè)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?？刂圃擁椝媒Y(jié)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(xiàn)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(jié)了各種電源損耗項及其相關(guān)損耗系數(shù)，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(dǎo)通電阻的選擇會影響其柵極驅(qū)動要求及 Coss 損耗和潛在的緩沖器損耗。低導(dǎo)通電阻意味著，柵極驅(qū)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。
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損耗系數(shù)
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舉例
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a0
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偏壓損耗 Coss 損耗
內(nèi)核損耗 緩沖器損耗
柵極驅(qū)動損耗
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a1
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二級管結(jié)點損耗 開關(guān)損耗
逆向恢復(fù)損耗 SR 停滯時間損耗
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a2
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FFT 電阻損耗 繞組損耗
漏電感損耗 蝕刻損耗
電容器紋波l損耗 電流感應(yīng)損耗
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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?qū)崿F(xiàn)部分優(yōu)化。如果假設(shè) MOSFET 的 Coss 和柵極驅(qū)動功率與其面積相關(guān)，同時其導(dǎo)通電阻與面積成反比，則可以為它選擇最佳面積（和電阻）。圖 1 顯示了裸片面積的優(yōu)化結(jié)果。裸片面積較小時，MOSFET 的導(dǎo)通電阻變?yōu)樾氏拗破?。隨著裸片面積增加，驅(qū)動和 Coss 損耗也隨之增加，并且在某一點上變?yōu)橹饕獡p耗組件。這種最小值相對寬泛，從而讓設(shè)計人員可以靈活控制已實現(xiàn)低損耗的 MOSFET 成本。當驅(qū)動損耗等于傳導(dǎo)損耗時達到最低損耗。
圖 1 調(diào)節(jié) MOSFET 裸片面積來最小化滿負載功率損耗
圖 2 是圍繞圖 1 最佳點的三種可能設(shè)計效率圖。圖中分別顯示了三種設(shè)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(qū)動損耗影響，而在重負載條件下小尺寸器件因高傳導(dǎo)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(shè)計的效率只比滿功率大面積設(shè)計的效率稍低一點，而在輕載條件下（設(shè)計常常運行在這種負載條件下）則更高。
圖 2 效率峰值出現(xiàn)在滿額定電流之前
下個月，我們將會討論利用增加開關(guān)頻率來減小磁性大小的一些局限性，敬請期待。
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