影响DC-DC转换器效率的因素分析

本文详细介绍了开关电源（SMPS）中各个元器件损耗的计算和预测技术，并讨论了提高开关调节器效率的相关技术和特点，以选择最合适的芯片来达到高效指标。本文介绍了影响开关电源效率的基本因素，可以以此作为新设计的准则。我们将从一般性介绍开始，然后针对特定的开关元件的损耗进行讨论。
　　一、效率估计
　　能量转换系统必定存在能耗，虽然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。Maxim的数据资料给出了实际测试得到的数据，其他厂商也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。图1给出了一个SMPS降压转换器的电路实例，转换效率可以达到97%，即使在轻载时也能保持较高效率。
　　采用什么秘诀才能达到如此高的效率？我们最好从了解SMPS损耗的公共问题开始，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。例如，图1采用了多种方法来降低损耗，其中包括：同步整流，芯片内部集成低导通电阻的MOSFET，低静态电流和跳脉冲控制模式。我们将在本文展开讨论这些措施带来的好处。
　　
　　图1. MAX1556降压转换器集成了低导通电阻的MOSFET，采用同步整流，可以达到95%的转换效率，效率曲线如图所示。
　　二、降压型SMPS
　　损耗是任何SMPS架构都面临的问题，我们在此以图2所示降压型（或buck）转换器为例进行讨论，图中标明各点的开关波形，用于后续计算。
　　
　　图2.通用降压型SMPS电路和相关波形，对于理解SMPS架构提供了一个很好的参考实例。
　　降压转换器的主要功能是把一个较高的直流输入电压转换成较低的直流输出电压。为了达到这个要求，MOSFET以固定频率（fS），在脉宽调制信号（PWM）的控制下进行开、关操作。当MOSFET导通时，输入电压给电感和电容（L和COUT）充电，通过它们把能量传递给负载。在此期间，电感电流线性上升，电流回路如图2中的回路1所示。当MOSFET断开时，输入电压断开与电感的连接，电感和输出电容为负载供电。电感电流线性下降，电流流过二极管，电流回路如图中的环路2所示。MOSFET的导通时间定义为PWM信号的占空比（D）。D把每个开关周期分成［D×tS］和［（1 - D）×tS］两部分，它们分别对应于MOSFET的导通时间（环路1）和二极管的导通时间（环路2）。所有SMPS拓扑（降压、反相等）都采用这种方式划分开关周期，实现电压转换。对于降压转换电路，较大的占空比将向负载传输较多的能量，平均输出电压增加。相反，占空比较低时，平均输出电压也会降低。根据这个关系，可以得到以下理想情况下（不考虑二极管或MOSFET的压降）降压型SMPS的转换公式：VOUT = D×VIN IIN = D×IOUT需要注意的是，任何SMPS在一个开关周期内处于某个状态的时间越长，那么它在这个状态所造成的损耗也越大。对于降压型转换器，D越低（相应的VOUT越低），回路2产生的损耗也大。