如何提高開關電源效率？方法詳解-KIA MOS管

降低 MOSFET功率損耗

降低 MOSFET功率損耗的直接途徑是：選擇低導通電阻 RDS(ON)、可快速切換的 MOSFET。

影響 MOSFET導通電阻的因素主要有以下幾種：

（1）MOSFET的導通電阻隨著芯片尺寸和漏源極擊穿電壓(VBR(DSS))的增大而增大，因為增加了 MOSFET 中的半導體材料。所以，相比較而言，過大尺寸的 MOSFET 會增大功率損耗。

（2）MOSFET的導通電阻受結溫的影響，當 MOSFET 的結溫升高時，MOSFET 導通電阻會相應增大。因此，必須保持較低的結溫，使導通電阻 RDS(ON)不會過大。

（3）MOSFET的導通電阻和柵源電壓成反比，較大柵源電壓可以降低 MOSFET 的導通電阻，但是也會增大柵極驅動損耗，因此，需要平衡 MOSFET 導通電阻和柵極驅動損耗。

MOSFET 的開關損耗與寄生電容有關，較大的寄生電容需要較長的充電時間，使開關切換變緩，消耗更多能量。米勒電容通常在 MOSFET 數據資料中定義為反向傳輸電容(CRSS)或柵-漏電容(CGD)，在開關過程中對切換時間起決定作用。

米勒電容的充電電荷用 QGD表示，為了快速切換 MOSFET，要求盡可能低的米勒電容。一般來說，MOSFET 的寄生電容和芯片尺寸成反比，因此必須折中考慮開關損耗和傳導損耗，同時也要謹慎選擇電路的開關頻率。

降低二極管功率損耗

對于二極管，必須降低導通壓降，以降低由此產生的損耗。對于小尺寸、額定電壓較低的硅二極管，導通壓降一般在 0.7V 到 1.5V 之間。二極管的尺寸、工藝和耐壓等級都會影響導通壓降和反向恢復時間，大尺寸和耐壓值較高的二極管通常具有較高的 VF 和 tRR，這會造成比較大的損耗。

開關二極管一般以速度劃分，分為快速（fast,）、高速（super fast）和超高速（ultrafast）二極管，反向恢復時間隨著速度的提高而降低。快速恢復二極管的 tRR 為幾百納秒，而超高速快恢復二極管的 tRR 為幾十納秒。

對比 PN 結二極管和肖特基二極管可知：

（1）PN 結二極管往往具有較大的正向導通電壓，較大的額定電壓和電流，使得其適合于更高的功率應用。不過，即使經過優化的 VF 和 tRR，往往也不會應用在低功耗的場景，因為效率太低。

（2）肖特基二極管則往往應用在低功耗場景，因為具有較低的 VF(0.4V 至 1V)和極小的 tRR，特別適用于低功耗的開關電源中，尤其是低占空比的情況。

然而，在一些低壓應用中，即便是具有較低壓降的肖特基二極管，所產生的傳導損耗也無法接受。比如，在輸出為 1.5V 的電路中，即使使用 0.5V 導通壓降 VF的肖特基二極管，二極管導通時也會產生 33%的輸出電壓損耗！

圖 采用 MOSFET 代替二極管以降低損耗

為了解決這一問題，可以選擇低導通電阻 RDS(ON)的 MOSFET 實現同步控制架構。用 MOSFET 取代二極管(如圖所示)，它與電源的主 MOSFET 同步工作，所以在交替切換的過程中，保證只有一個導通。

導通的二極管由導通的 MOSFET 所替代，二極管的高導通壓降 VF被轉換成 MOSFET 的低導通壓降(MOSFET RDS(ON) * I)，有效降低了二極管的傳導損耗。

當然，同步整流 MOSFET 與二極管相比降低了壓降，但也引入了驅動損耗。

影響開關電源效率的兩個重要因素：MOSFET 和二極管。現代的開關電源控制器往往是將這兩者連同反饋、診斷等功能集成到一個 IC 中，這樣可以節省空間和降低寄生損耗，在一定程度上提供了電源效率。

降低無源器件的功率損耗

無源器件主要是電感和電容，降低這兩種器件功率損耗的方法有：

（1）選擇低 ESR 的電容；

（2）選擇低 DSR 的電感；

優化電源控制架構

相較于固定 PWM 頻率的控制架構，使用跳脈沖（PFM）的控制架構，更有利于提高開關電源的效率，尤其是在輕負載或負載范圍較寬時。

跳脈沖模式下，在一段較長時間內電感放電，將能量從電感傳遞給負載，以維持輸出電壓。當然，隨著負載吸收電流，輸出電壓也會跌落。當電壓跌落到設置門限時，將開啟一個新的開關周期，為電感充電并補充輸出電壓。

需要注意的是跳脈沖模式會產生與負載相關的輸出噪聲，這些噪聲由于分布在不同頻率(與固定頻率的 PWM 控制架構不同)，很難濾除。

現代的開關電源控制 IC 會合理利用兩者的優勢：重載時采用恒定 PWM 頻率；輕載時采用跳脈沖模式以提高效率。

當負載增加到一個較高的有效值時，跳脈沖波形將轉換到固定 PWM，此時負載下噪聲很容易濾除。在整個工作范圍內，器件根據需要選擇跳脈沖模式和 PWM 模式，保持整體的最高效率。 

如圖所示。

圖 開關電源中跳脈沖模式和固定 PWM 模式下的效率對比

固定 PWM 模式下的效率曲線(圖中的 D、E、F)，輕載時效率較低，但在重載時能夠提供很高的轉換效率(高達 98%)。

然而，跳脈沖模式下的效率曲線(圖中的 A、B、C)能夠在輕載時保持在較高水平。

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