搜索
高效率开关电源设计高效率开关电源设计陈永真陈永真常规技术设计开关电源效率常规技术设计开关电源效率采用常规技术设计的开关电源的效率通常采用常规技术设计的开关电源的效率通常在在70~85%70~85%之间。这个效率一般是在满载时之间。这个效率一般是在满载时测得。测得。其中：其中：输出电压越低，效率越低。输出电压越低，效率越低。负载越轻，效率越低。负载越轻，效率越低。效率越低，电源越热，可靠性越低，成本效率越低，电源越热，可靠性越低，成本越高。越高。国外的能耗标准与目前的技术水平国外的能耗标准与目前的技术水平开关电源设计强国美国几年前就提出开关电源设计强国美国几年前就提出80+80+的的技术标准，已经付诸实施；技术标准，已经付诸实施；85+85+的技术标准的技术标准也即将付诸实施，也即将付诸实施，88+88+技术标的实施也将是技术标的实施也将是几年后的现实。几年后的现实。这些能耗标准是在负载率从这些能耗标准是在负载率从20%20%到到80%80%范范围内的效率不低于围内的效率不低于80%80%；；85%85%；；88%88%。。效率与损耗效率与损耗以以100W100W输出功率的开关电源为例：输出功率的开关电源为例：效率为效率为75%75%时的输入功率时的输入功率133.3W133.3W，电源损耗，电源损耗33.3W33.3W；；效率为效率为80%80%时的输入功率时的输入功率125W125W，电源损耗，电源损耗25W25W；；效率为效率为85%85%时的输入功率为时的输入功率为117.65W117.65W，电源损耗，电源损耗17.65W17.65W；；效率为效率为88%88%时的输入功率时的输入功率113.64W113.64W，电源损耗，电源损耗13.64W13.64W；；效率为效率为90%90%时的输入功率时的输入功率111W111W，电源损耗，电源损耗11W11W；；不同的效率对比与意义不同的效率对比与意义效率从效率从75%75%上升到上升到85%85%，电源自身的损耗，电源自身的损耗降低降低15.65W15.65W或或47%47%；；从散热角度考虑，从散热角度考虑，33.3W33.3W所需要的散热条件所需要的散热条件与与17.65W17.65W所需要的散热条件将不仅仅是一所需要的散热条件将不仅仅是一倍的关系，所带来的体积、成本的差异将倍的关系，所带来的体积、成本的差异将是显然的。是显然的。如果将效率从如果将效率从75%75%提高到提高到90%90%，甚至可以，甚至可以不使用散热器！不使用散热器！InfineonInfineon的的TDA16888TDA16888构成的构成的200W200W双管正激开关电源双管正激开关电源InfineonInfineon的的TDA16888TDA16888构成的构成的200W200W双管正激开关电源双管正激开关电源150W150W直流母线变换器直流母线变换器200W200W直流母线变换器直流母线变换器200W200W直流母线变换器直流母线变换器330W330W直流母线变换器直流母线变换器330W330W直流母线变换器直流母线变换器330W330W直流母线变换器直流母线变换器300W300W直流母线变换器效率与输出电直流母线变换器效率与输出电流关系流关系NationalNational的的DC/DCDC/DC电源模块评估板电源模块评估板输入输入36~75V36~75V，输出，输出2.5V/80A2.5V/80A效率效率91%91%美国美国19951995年生产的电源适配器年生产的电源适配器一、开关电源损耗分析与一、开关电源损耗分析与减小的方法减小的方法（一）导通损耗分析（一）导通损耗分析1.11.1常规技术下变换器的损耗主要是常规技术下变换器的损耗主要是开关管和输出整流器的损耗开关管和输出整流器的损耗1.1.开关管的导通损耗；开关管的导通损耗；2.2.开关管的开关损耗。开关管的开关损耗。MOSMOS作为开关管时的导通损耗作为开关管时的导通损耗其中的电压和电流均为有效值。其中的电压和电流均为有效值。矩形波电流时占空比的关系矩形波电流时占空比的关系降低开关管的导通电压可以有效地降低开关管的导通电压可以有效地降低导通损耗降低导通损耗1.1.对于对于MOSFETMOSFET而言，降低导通电阻可以而言，降低导通电阻可以有效降低导通损耗。有效降低导通损耗。例如将例如将IRF840IRF840换成换成IRF740IRF740可以将导通可以将导通电阻从电阻从0.80.8ΩΩ降低到降低到0.550.55ΩΩ，导通损耗可以，导通损耗可以降低降低40%40%以上；以上；如果采用如果采用CoolMOSCoolMOS的的SPP07N06C3SPP07N06C3（（RRDSDS（（ONON））=0.6=0.6ΩΩ）替代）替代IRFBC40IRFBC40（（RRDSDS（（ONON））=1.2=1.2ΩΩ）导通损耗可以降低一半。）导通损耗可以降低一半。尽可能增加占空比可以降低导通损耗尽可能增加占空比可以降低导通损耗在开关管额定电流相同的条件下。占空比在开关管额定电流相同的条件下。占空比为为0.50.5的导通损耗是占空比的导通损耗是占空比0.40.4的导通损耗的的导通损耗的80%80%、是占空比、是占空比0.40.4的导通损耗的的导通损耗的60%60%。。这种损耗的减少是在不增加成本和电路复这种损耗的减少是在不增加成本和电路复杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得到的。到的。常规技术下开关管的导通损耗比例常规技术下开关管的导通损耗比例MOSFETMOSFET作为开关管时，导通损耗一般占作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的开关管总损耗的2/32/3；；IGBTIGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的管总损耗的1/31/3。。1.21.2降低导通损耗的方法降低导通损耗的方法选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导通占空比；通占空比；选择导通电阻相对低的选择导通电阻相对低的MOSFETMOSFET；；降额使用，例如将可以输出降额使用，例如将可以输出250W250W的的TOP250TOP250用于用于输出输出50W50W的方案中，可以使电源效率达到的方案中，可以使电源效率达到87%87%；；选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时间比较早的器件导通电阻小；间比较早的器件导通电阻小；选择导通电压降低的器件作为开关管，例如用选择导通电压降低的器件作为开关管，例如用IRF740IRF740替代替代IRF840IRF840就是一个很好的方法，采用就是一个很好的方法，采用CoolMOSCoolMOS替代常规替代常规MOSMOS是几好的方法。是几好的方法。1.3.1.3.输出整流器的损耗输出整流器的损耗输出整流器的损耗主要是导通损耗。输出整流器的损耗主要是导通损耗。在低电压输出时（如在低电压输出时（如5V5V或或3.3V3.3V），即使采），即使采用肖特基二极管（导通电压降约用肖特基二极管（导通电压降约0.5V0.5V）作）作为输出整流器，其导通损耗也会使这一部为输出整流器，其导通损耗也会使这一部分的效率不足分的效率不足10%10%！（！（90%90%）这样整机的）这样整机的效率很可能就不会超过效率很可能就不会超过80%80%。。需要注意肖特基二极管的漏电流需要注意肖特基二极管的漏电流尽管肖特基二极管的导通电压降比较低，尽管肖特基二极管的导通电压降比较低，但是肖特基二极管的漏电流比较大，应用但是肖特基二极管的漏电流比较大，应用不当时会出现高温状态下的漏电流产生的不当时会出现高温状态下的漏电流产生的损耗会比由于低导通电压所减少的损耗还损耗会比由于低导通电压所减少的损耗还大。大。这就是有时应用肖特基二极管时效率并不这就是有时应用肖特基二极管时效率并不是很高的原因之一。是很高的原因之一。选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。1.41.4同步整流器可以使输出整流器导同步整流器可以使输出整流器导通损耗的降低通损耗的降低为了降低输出整流器的导通损耗，可以采为了降低输出整流器的导通损耗，可以采用用MOSFETMOSFET构成同步整流器，如果一个导构成同步整流器，如果一个导通电阻为通电阻为10m10mΩΩ的的MOSFETMOSFET流过流过20A20A电电流，其导通电压降仅仅流，其导通电压降仅仅0.2V0.2V！明显低于肖！明显低于肖特基二极管的在这个电流下的导通电压，特基二极管的在这个电流下的导通电压，如果流过如果流过10A10A电流，则导通电压会更低。电流，则导通电压会更低。这就是现在的高效率开关电源的输出整流这就是现在的高效率开关电源的输出整流器采用同步整流器的昀主要的原因。器采用同步整流器的昀主要的原因。（二）开关管的开关损耗分析（二）开关管的开关损耗分析在常规技术下，开关损耗随开关频率的升在常规技术下，开关损耗随开关频率的升高而上升，因此轻载时（如高而上升，因此轻载时（如30%30%负载）开负载）开关电源的效率会明显降低。关电源的效率会明显降低。2.12.1开关管开关损耗产生的原因开关管开关损耗产生的原因开关管开关过程是在开关电感性负载，其开关管开关过程是在开关电感性负载，其特点是开通过程需要电流首先上升到特点是开通过程需要电流首先上升到““电源电源电流电流””，然后才是电压的下降；，然后才是电压的下降；关断过程则是电压上升到关断过程则是电压上升到““电源电压电源电压””，然，然后才是电流的下降。后才是电流的下降。这些过程中，有电压电流同时存在的现象。这些过程中，有电压电流同时存在的现象。其电流、电压的乘积非常高，因而产生开其电流、电压的乘积非常高，因而产生开关损耗。关损耗。开关管的开关过程对开关损耗的影响开关管的开关过程对开关损耗的影响开关管的开关过程中，电流、电压同时存开关管的开关过程中，电流、电压同时存在，这个过程越长开关损耗越大。在，这个过程越长开关损耗越大。11、在开关管的开关过程中让电流、电压相、在开关管的开关过程中让电流、电压相对的相位发生变化可以降低开关损耗；对的相位发生变化可以降低开关损耗；22、在开关管的开关过程中电流、电压值存、在开关管的开关过程中电流、电压值存在一个，而另一个为零，可以消除开关损在一个，而另一个为零，可以消除开关损耗；耗；33、缩短开关过程可以减小开关损耗、缩短开关过程可以减小开关损耗开关过程对开关损耗的影响（开关过程对开关损耗的影响（11））驱动能力对开关损耗产生的影（驱动能力对开关损耗产生的影（11））开关管的驱动开关管的驱动驱动驱动MOSFETMOSFET实际上是对实际上是对MOSFETMOSFET的栅极的栅极电容的充放电过程。电容的充放电过程。例如在例如在100ns100ns时间内驱动一个时间内驱动一个100nC100nC栅极电栅极电荷的荷的MOSFETMOSFET由关断到导通或由导通到关由关断到导通或由导通到关断需要断需要1A1A驱动电流，如果是驱动电流，如果是200mA200mA则驱动则驱动时间就会变为时间就会变为500ns500ns。对应的开关损耗将会。对应的开关损耗将会增加到增加到1A1A驱动电流的驱动电流的55倍。倍。因此，驱动电流对于快速开关因此，驱动电流对于快速开关MOSFETMOSFET非非常重要。常重要。开关过程对开关损耗的影响（开关过程对开关损耗的影响（22））栅极电荷对开关损耗产生的影响（栅极电荷对开关损耗产生的影响（11））其中对其中对MOSFETMOSFET开关过程影响昀大的是米开关过程影响昀大的是米勒电荷，即栅勒电荷，即栅--漏极电荷。漏极电荷。例如栅极电荷为例如栅极电荷为140nC140nC的的IRFP450IRFP450（（14A/500V14A/500V）的栅）的栅--漏极电荷为漏极电荷为80nC80nC。。而而fairchildfairchild的的