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直流电源各处损耗(2):集成功率开关、无源元

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-19 09:21    点击量:

    集成功率开关功率开关集成到IC 内部时可以省去繁琐的MOSFET 或二极管选择,而且使电路更加紧凑,由于降低了线路损耗和寄生效应,可以在一定程度上提高效率.根据功率等级和电压限制,可以把MOSFET、二极管(或同步整流MOSFET)集成到芯片内部.将开关集成到芯片内部的另一个好处是栅极驱动电路的尺寸已经针对片内MOSFET 进行了优化,因而无需将时间浪费在未知的分立MOSFET 上.

直流电源各处损耗(2):集成功率开关、无源元
    静态电流电池供电设备特别关注IC 规格中的静态电流(IQ),它是维持电路工作所需的电流.重载情况下(大于十倍或百倍的静态电流IQ),IQ 对效率的影响并不明显,因为负载电流远大于IQ,而随着负载电流的降低,效率有下降的趋势,因为IQ 对应的功率占总功率的比例提高.这一点对于大多数时间处于休眠模式或其它低功耗模式的应用尤其重要,许多消费类产品即使在"关闭"状态下,也需要保持键盘扫描或其它功能的供电,这时,无疑需要选择具有极低IQ的直流电源.

    直流电源架构对效率的提高SMPS 的控制架构是影响直流电源效率的关键因素之一.这一点我们已经在同步整流架构中讨论过,由于采用低导通电阻的MOSFET 取代了功耗较大的开关二极管,可有效改善效率指标.

    另一种重要的控制架构是针对轻载工作或较宽的负载范围设计的,即跳脉冲模式,也称为脉冲频率调制(PFM).与单纯的PWM 开关操作(在重载和轻载时均采用固定的开关频率)不同,跳脉冲模式下转换器工作在跳跃的开关周期,可以节省不必要的开关操作,进而提高效率.

    跳脉冲模式下,在一段较长时间内电感放电,将能量从电感传递给负载,以维持直流电源输出电压.当然,随着负载吸收电流,直流电源输出电压也会跌落.当电压跌落到设置门限时,将开启一个新的开关周期,为电感充电并补充直流电源输出电压.

    需要注意的是跳脉冲模式会产生与负载相关的直流电源输出噪声,这些噪声由于分布在不同频率(与固定频率的PWM 控制架构不同),很难滤除.

    先进的SMPS IC 会合理利用两者的优势:重载时采用恒定PWM 频率;轻载时采用跳脉冲模式以提高效率,图1 所示IC 即提供了这样的工作模式.

    当负载增加到一个较高的有效值时,跳脉冲波形将转换到固定PWM,在标称负载下噪声很容易滤除.在整个工作范围内,器件根据需要选择跳脉冲模式和PWM 模式,保持整体的最高效率(图8).

    图8 中的曲线D、E、F 所示效率曲线在固定PWM 模式下,轻载时效率较低,但在重载时能够提供很高的转换效率(高达98%).如果设置在轻载下保持固定PWM 工作模式,IC 将不会按照负载情况更改工作模式.这种情况下能够使纹波保持在固定频率,但浪费了一定功率.重载时,维持PWM 开关操作所需的额外功率很小,远远低于直流电源输出功率.另一方面,跳脉冲"空闲"模式下的效率曲线(图8 中的A、B、C)能够在轻载时保持在较高水平,因为开关只在负载需要时开启.对7V 输入曲线,在1mA 负载的空闲模式下能够获得高于60%的效率.

    图8. 降压转换器在PWM 和空闲(跳脉冲)模式下效率曲线,注意:轻载时,空闲模式下的效率高于PWM模式.

    优化SMPS直流电源因其高效率指标得到广泛应用,但其效率仍然受SMPS 电路的一些固有损耗的制约.设计直流电源时,需要仔细研究造成SMPS 损耗的来源,合理选择SMPS IC,从而充分利用器件的优势,为了在保持尽可能低的电路成本,甚至不增加电路成本的前提下获得高效的SMPS,工程师需要做出全面的选择.

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