本文詳細(xì)介紹了開關(guān)電源(SMPS)中各個(gè)元器件損耗的計(jì)算和預(yù)測(cè)技術(shù)，并討論了提高開關(guān)調(diào)節(jié)器效率的相關(guān)技術(shù)和特點(diǎn)，以選擇最合適的芯片來達(dá)到高效指標(biāo)。本文介紹了影響開關(guān)電源效率的基本因素，可以以此作為新設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。我們將從一般性介紹開始，然后針對(duì)特定的開關(guān)元件的損耗進(jìn)行討論。

一、效率估計(jì)

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在能耗，雖然實(shí)際應(yīng)用中無法獲得100%的轉(zhuǎn)換效率，但是，一個(gè)高質(zhì)量的電源效率可以達(dá)到非常高的水平，效率接近95%.

絕大多數(shù)電源IC的工作效率可以在特定的工作條件下測(cè)得，數(shù)據(jù)資料中給出了這些參數(shù)。Maxim的數(shù)據(jù)資料給出了實(shí)際測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，其他廠商也會(huì)給出實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，但我們只能對(duì)我們自己的數(shù)據(jù)擔(dān)保。圖1給出了一個(gè)SMPS降壓轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)例，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到97%,即使在輕載時(shí)也能保持較高效率。

采用什么秘訣才能達(dá)到如此高的效率?我們最好從了解SMPS損耗的公共問題開始，開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管)，另外小部分損耗來自電感和電容。但是，如果使用非常廉價(jià)的電感和電容(具有較高電阻)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗明顯增大。

選擇IC時(shí)，需要考慮控制器的架構(gòu)和內(nèi)部元件，以期獲得高效指標(biāo)。例如，圖1采用了多種方法來降低損耗，其中包括：同步整流，芯片內(nèi)部集成低導(dǎo)通電阻的MOSFET,低靜態(tài)電流和跳脈沖控制模式。我們將在本文展開討論這些措施帶來的好處。

圖1.MAX1556降壓轉(zhuǎn)換器集成了低導(dǎo)通電阻的MOSFET,采用同步整流，可以達(dá)到95%的轉(zhuǎn)換效率，效率曲線如圖所示。

二、降壓型SMPS

損耗是任何SMPS架構(gòu)都面臨的問題，我們?cè)诖艘詧D2所示降壓型(或buck)轉(zhuǎn)換器為例進(jìn)行討論，圖中標(biāo)明各點(diǎn)的開關(guān)波形，用于后續(xù)計(jì)算。

圖2.通用降壓型SMPS電路和相關(guān)波形，對(duì)于理解SMPS架構(gòu)提供了一個(gè)很好的參考實(shí)例。

降壓轉(zhuǎn)換器的主要功能是把一個(gè)較高的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓。為了達(dá)到這個(gè)要求，MOSFET以固定頻率(fS)，在脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)的控制下進(jìn)行開、關(guān)操作。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓給電感和電容(L和COUT)充電，通過它們把能量傳遞給負(fù)載。在此期間，電感電流線性上升，電流回路如圖2中的回路1所示。當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，輸入電壓斷開與電感的連接，電感和輸出電容為負(fù)載供電。電感電流線性下降，電流流過二極管，電流回路如圖中的環(huán)路2所示。MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間定義為PWM信號(hào)的占空比(D)。D把每個(gè)開關(guān)周期分成[D×tS]和[(1-D)×tS]兩部分，它們分別對(duì)應(yīng)于MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間(環(huán)路1)和二極管的導(dǎo)通時(shí)間(環(huán)路2)。所有SMPS拓?fù)?降壓、反相等)都采用這種方式劃分開關(guān)周期，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換電路，較大的占空比將向負(fù)載傳輸較多的能量，平均輸出電壓增加。相反，占空比較低時(shí)，平均輸出電壓也會(huì)降低。根據(jù)這個(gè)關(guān)系，可以得到以下理想情況下(不考慮二極管或MOSFET的壓降)降壓型SMPS的轉(zhuǎn)換公式：VOUT=D×VINIIN=D×IOUT需要注意的是，任何SMPS在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)處于某個(gè)狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，那么它在這個(gè)狀態(tài)所造成的損耗也越大。對(duì)于降壓型轉(zhuǎn)換器，D越低(相應(yīng)的VOUT越低)，回路2產(chǎn)生的損耗也大。