如何提高开关电源效率？方法详解-KIA MOS管

降低 MOSFET功率损耗

降低 MOSFET功率损耗的直接途径是：选择低导通电阻 RDS(ON)、可快速切换的 MOSFET。

影响 MOSFET导通电阻的因素主要有以下几种：

（1）MOSFET的导通电阻随着芯片尺寸和漏源极击穿电压(VBR(DSS))的增大而增大，因为增加了 MOSFET 中的半导体材料。所以，相比较而言，过大尺寸的 MOSFET 会增大功率损耗。

（2）MOSFET的导通电阻受结温的影响，当 MOSFET 的结温升高时，MOSFET 导通电阻会相应增大。因此，必须保持较低的结温，使导通电阻 RDS(ON)不会过大。

（3）MOSFET的导通电阻和栅源电压成反比，较大栅源电压可以降低 MOSFET 的导通电阻，但是也会增大栅极驱动损耗，因此，需要平衡 MOSFET 导通电阻和栅极驱动损耗。

MOSFET 的开关损耗与寄生电容有关，较大的寄生电容需要较长的充电时间，使开关切换变缓，消耗更多能量。米勒电容通常在 MOSFET 数据资料中定义为反向传输电容(CRSS)或栅-漏电容(CGD)，在开关过程中对切换时间起决定作用。

米勒电容的充电电荷用 QGD表示，为了快速切换 MOSFET，要求尽可能低的米勒电容。一般来说，MOSFET 的寄生电容和芯片尺寸成反比，因此必须折中考虑开关损耗和传导损耗，同时也要谨慎选择电路的开关频率。

降低二极管功率损耗

对于二极管，必须降低导通压降，以降低由此产生的损耗。对于小尺寸、额定电压较低的硅二极管，导通压降一般在 0.7V 到 1.5V 之间。二极管的尺寸、工艺和耐压等级都会影响导通压降和反向恢复时间，大尺寸和耐压值较高的二极管通常具有较高的 VF 和 tRR，这会造成比较大的损耗。

开关二极管一般以速度划分，分为快速（fast,）、高速（super fast）和超高速（ultrafast）二极管，反向恢复时间随着速度的提高而降低。快速恢复二极管的 tRR 为几百纳秒，而超高速快恢复二极管的 tRR 为几十纳秒。

对比 PN 结二极管和肖特基二极管可知：

（1）PN 结二极管往往具有较大的正向导通电压，较大的额定电压和电流，使得其适合于更高的功率应用。不过，即使经过优化的 VF 和 tRR，往往也不会应用在低功耗的场景，因为效率太低。

（2）肖特基二极管则往往应用在低功耗场景，因为具有较低的 VF(0.4V 至 1V)和极小的 tRR，特别适用于低功耗的开关电源中，尤其是低占空比的情况。

然而，在一些低压应用中，即便是具有较低压降的肖特基二极管，所产生的传导损耗也无法接受。比如，在输出为 1.5V 的电路中，即使使用 0.5V 导通压降 VF的肖特基二极管，二极管导通时也会产生 33%的输出电压损耗！

图 采用 MOSFET 代替二极管以降低损耗

为了解决这一问题，可以选择低导通电阻 RDS(ON)的 MOSFET 实现同步控制架构。用 MOSFET 取代二极管(如图所示)，它与电源的主 MOSFET 同步工作，所以在交替切换的过程中，保证只有一个导通。

导通的二极管由导通的 MOSFET 所替代，二极管的高导通压降 VF被转换成 MOSFET 的低导通压降(MOSFET RDS(ON) * I)，有效降低了二极管的传导损耗。

当然，同步整流 MOSFET 与二极管相比降低了压降，但也引入了驱动损耗。

影响开关电源效率的两个重要因素：MOSFET 和二极管。现代的开关电源控制器往往是将这两者连同反馈、诊断等功能集成到一个 IC 中，这样可以节省空间和降低寄生损耗，在一定程度上提供了电源效率。

降低无源器件的功率损耗

无源器件主要是电感和电容，降低这两种器件功率损耗的方法有：

（1）选择低 ESR 的电容；

（2）选择低 DSR 的电感；

优化电源控制架构

相较于固定 PWM 频率的控制架构，使用跳脉冲（PFM）的控制架构，更有利于提高开关电源的效率，尤其是在轻负载或负载范围较宽时。

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，以维持输出电压。当然，随着负载吸收电流，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，为电感充电并补充输出电压。

需要注意的是跳脉冲模式会产生与负载相关的输出噪声，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。

现代的开关电源控制 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。

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，此时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。 

如图所示。

图 开关电源中跳脉冲模式和固定 PWM 模式下的效率对比

固定 PWM 模式下的效率曲线(图中的 D、E、F)，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%)。

然而，跳脉冲模式下的效率曲线(图中的 A、B、C)能够在轻载时保持在较高水平。

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