电源设计小贴士12：电源效率较大化

作者：德州仪器 (TI) 高级应用经理 Robert Kollman

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较大化特定负载电流的电源效率。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，效率将会较大化。

需要注意的第一件事是，a1 项对效率达到较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，较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，便能够获得较佳效率。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较佳效率。a1 项的目标是在控制成本的同时达到较小化。

表 1 概括总结了各种电源损耗项及其相关损耗系数，该表提供了一些较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

代数式下一位将较佳电流代回到效率方程式中，解得较大效率为：

需要较小化该表达式中的较后两项，以较佳化效率。a1 项很简单，只需对其较小化即可。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，则可以为它选择较佳面积（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。这种较小值相对宽泛，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较低损耗。

图 1 调节 MOSFET 裸片面积来较小化满负载功率损耗

图 2 是围绕图 1 较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

电源设计小贴士系列

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，并为电源电子设计了从低功耗 (sub-watt) 到超低功耗 (sub-megawatt) 的磁性元件，工作频率在兆赫兹范围内。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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