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【秘籍】开关电源电路开发设计大全

2014-09-23 15:06
来源: 与非网

  实际损耗与三项式之间的相关性非常好。图11.2对同步降压稳压器的测量数据与曲线拟合数据进行了对比。我们知道,在基于求解三个联立方程组的曲线上将存在三个重合点。对于曲线的剩余部分,两个曲线之间的差异小于2%。由于工作模式(如连续或非连续)不同、脉冲跳频或变频运行等原因,其他类型的电源可能很难以如此匹配。 这种方法并非绝对可靠, 但是有助于电源设计人员理解实际电路损耗情况。

【秘籍】开关电源电路开发设计大全  图11.2 前三个损耗项提供了与测量值良好的相关性

  秘笈十二 电源效率最大化

  在《电源设计秘笈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。在本篇电源设计秘笈中,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《电源设计秘笈11》中,我们建议使用如下输出电流函数来计算电源损耗:

【秘籍】开关电源电路开发设计大全 

   下一步是利用上述简单表达式,并将其放入效率方程式中:

【秘籍】开关电源电路开发设计大全

  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。

【秘籍】开关电源电路开发设计大全

  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。

【秘籍】开关电源电路开发设计大全  表1 损耗系数及相应的电源损耗

  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:

【秘籍】开关电源电路开发设计大全

  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12.1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,

【秘籍】开关电源电路开发设计大全  图12.1 调节 MOSFET 裸片面积来最小化满负载功率损耗

  图12.2是围绕图12.1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

【秘籍】开关电源电路开发设计大全  图 12.2 效率峰值出现在满额定电流之前

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