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电源设计小贴士 12:电源效率最大化

上网日期: 2009年07月01日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电源设计小贴士? 电源效率? 负载电流?

作者:Robert Kollman
高级应用经理
兼科技委员会资深委员
德州仪器(TI)

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

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。


图 2 效率峰值出现在满额定电流之前

下个月,我们将会讨论利用增加开关频率来减小磁性大小的一些局限性,敬请期待。

如欲了解这方面及其他电源解决方案的更多详情,敬请访问:www.ti.com/power-ca。

Robert Kollman

现任 TI 高级应用经理兼科技委员会的资深委员。他拥有在电源电子领域超过 30 年的工作经验。Robert 毕业于得克萨斯 A&M 大学 (Texas A&M University),获电子工程理学士学位,后又毕业于南卫理公会大学 (Southern Methodist University),获电子工程硕士学位。







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