原创电源设计小贴士12：电源效率最大化

 2011-4-18 20:04  2440 11 11 分类: 模拟

在《电源设计小贴士 11》中，我们讨论了如何利用泰勒级数 (Taylor series) 查找电源中的损耗源。在本篇电源设计小贴士中，我们将讨论如何使用相同的级数最大化特定负载电流的电源效率。在《电源设计小贴士 11》中，我们建议使用如下输出电流函数来计算电源损耗：

下一步是利用上述简单表达式，并将其放入效率方程式中：

这样，输出电流的效率就得到了优化（具体论证工作留给学生去完成）。这种优化可产生一个有趣的结果。

当输出电流等于如下表达式时，效率将会最大化。

需要注意的第一件事是，a₁ 项对效率达到最大时的电流不产生影响。这是由于它与损耗相关，而上述损耗又与诸如二极管结点的输出电流成比例关系。因此，当输出电流增加时，上述损耗和输出功率也会随之增加，并且对效率没有影响。需要注意的第二件事是，最佳效率出现在固定损耗和传导损耗相等的某个点上。这就是说，只要控制设置 a₀和 a₂ 值的组件，便能够获得最佳效率。还是要努力减小 a₁ 的值，并提高效率。控制该项所得结果对所有负载电流而言均相同，因此如其他项一样没有出现最佳效率。a₁ 项的目标是在控制成本的同时达到最小化。

表 1 概括总结了各种电源损耗项及其相关损耗系数，该表提供了一些最佳化电源效率方面的折中方法。例如，功率 MOSFET 导通电阻的选择会影响其栅极驱动要求及 Coss 损耗和潜在的缓冲器损耗。低导通电阻意味着，栅极驱动、Coss 和缓冲器损耗逆向增加。因此，您可通过选择 MOSFET 来控制 a₀ 和 a₂。

表 1 损耗系数及相应的电源损耗

损耗系数	举例
a₀	偏压损耗 Coss 损耗内核损耗缓冲器损耗栅极驱动损耗
a₁	二级管结点损耗开关损耗逆向恢复损耗 SR 停滞时间损耗
a₂	FFT 电阻损耗绕组损耗漏电感损耗蚀刻损耗电容器纹波 l 损耗电流感应损耗

代数式下一位将最佳电流代回到效率方程式中，解得最大效率为：

需要最小化该表达式中的最后两项，以最佳化效率。a₁项很简单，只需对其最小化即可。末尾项能够实现部分优化。如果假设 MOSFET 的 Coss 和栅极驱动功率与其面积相关，同时其导通电阻与面积成反比，则可以为它选择最佳面积（和电阻）。图 1 显示了裸片面积的优化结果。裸片面积较小时，MOSFET 的导通电阻变为效率限制器。随着裸片面积增加，驱动和 Coss 损耗也随之增加，并且在某一点上变为主要损耗组件。这种最小值相对宽泛，从而让设计人员可以灵活控制已实现低损耗的 MOSFET 成本。当驱动损耗等于传导损耗时达到最低损耗。

图 1 调节 MOSFET 裸片面积来最小化满负载功率损耗

图 2 是围绕图 1 最佳点的三种可能设计效率图。图中分别显示了三种设计的正常裸片面积。轻负载情况下，较大面积裸片的效率会受不断增加的驱动损耗影响，而在重负载条件下小尺寸器件因高传导损耗而变得不堪重负。这些曲线代表裸片面积和成本的三比一变化，注意这一点非常重要。正常芯片面积设计的效率只比满功率大面积设计的效率稍低一点，而在轻载条件下（设计常常运行在这种负载条件下）则更高。