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作者：Robert Kollman 高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理 兼科技委員會(huì)資深委員 德州儀器(TI) 在《電源設(shè)計(jì)小貼士 11》中，我們討論了如何利用泰勒級(jí)數(shù) (Taylor series) 查找電源中的損耗源。在本篇電源設(shè)計(jì)小貼士中，我們將討論如何使用相同的級(jí)數(shù)最大化特定負(fù)載電流的電源效率。在《電源設(shè)計(jì)小貼士 11》中，我們建議使用如下輸出電流函數(shù)來計(jì)算電源損耗： 
下一步是利用上述簡單表達(dá)式，并將其放入效率方程式中：
這樣，輸出電流的效率就得到了優(yōu)化（具體論證工作留給學(xué)生去完成）。這種優(yōu)化可產(chǎn)生一個(gè)有趣的結(jié)果。 當(dāng)輸出電流等于如下表達(dá)式時(shí)，效率將會(huì)最大化。
需要注意的第一件事是，a1 項(xiàng)對(duì)效率達(dá)到最大時(shí)的電流不產(chǎn)生影響。這是由于它與損耗相關(guān)，而上述損耗又與諸如二極管結(jié)點(diǎn)的輸出電流成比例關(guān)系。因此，當(dāng)輸出電流增加時(shí)，上述損耗和輸出功率也會(huì)隨之增加，并且對(duì)效率沒有影響。需要注意的第二件事是，最佳效率出現(xiàn)在固定損耗和傳導(dǎo)損耗相等的某個(gè)點(diǎn)上。這就是說，只要控制設(shè)置 a0 和 a2 值的組件，便能夠獲得最佳效率。還是要努力減小 a1 的值，并提高效率。控制該項(xiàng)所得結(jié)果對(duì)所有負(fù)載電流而言均相同，因此如其他項(xiàng)一樣沒有出現(xiàn)最佳效率。a1 項(xiàng)的目標(biāo)是在控制成本的同時(shí)達(dá)到最小化。 表 1 概括總結(jié)了各種電源損耗項(xiàng)及其相關(guān)損耗系數(shù)，該表提供了一些最佳化電源效率方面的折中方法。例如，功率 MOSFET 導(dǎo)通電阻的選擇會(huì)影響其柵極驅(qū)動(dòng)要求及 Coss 損耗和潛在的緩沖器損耗。低導(dǎo)通電阻意味著，柵極驅(qū)動(dòng)、Coss 和緩沖器損耗逆向增加。因此，您可通過選擇 MOSFET 來控制 a0 和 a2。 表 1 損耗系數(shù)及相應(yīng)的電源損耗
代數(shù)式下一位將最佳電流代回到效率方程式中，解得最大效率為：
需要最小化該表達(dá)式中的最后兩項(xiàng)，以最佳化效率。a1 項(xiàng)很簡單，只需對(duì)其最小化即可。末尾項(xiàng)能夠?qū)崿F(xiàn)部分優(yōu)化。如果假設(shè) MOSFET 的 Coss 和柵極驅(qū)動(dòng)功率與其面積相關(guān)，同時(shí)其導(dǎo)通電阻與面積成反比，則可以為它選擇最佳面積（和電阻）。圖 1 顯示了裸片面積的優(yōu)化結(jié)果。裸片面積較小時(shí)，MOSFET 的導(dǎo)通電阻變?yōu)樾氏拗破鳌ｋS著裸片面積增加，驅(qū)動(dòng)和 Coss 損耗也隨之增加，并且在某一點(diǎn)上變?yōu)橹饕獡p耗組件。這種最小值相對(duì)寬泛，從而讓設(shè)計(jì)人員可以靈活控制已實(shí)現(xiàn)低損耗的 MOSFET 成本。當(dāng)驅(qū)動(dòng)損耗等于傳導(dǎo)損耗時(shí)達(dá)到最低損耗。
圖 1 調(diào)節(jié) MOSFET 裸片面積來最小化滿負(fù)載功率損耗 圖 2 是圍繞圖 1 最佳點(diǎn)的三種可能設(shè)計(jì)效率圖。圖中分別顯示了三種設(shè)計(jì)的正常裸片面積。輕負(fù)載情況下，較大面積裸片的效率會(huì)受不斷增加的驅(qū)動(dòng)損耗影響，而在重負(fù)載條件下小尺寸器件因高傳導(dǎo)損耗而變得不堪重負(fù)。這些曲線代表裸片面積和成本的三比一變化，注意這一點(diǎn)非常重要。正常芯片面積設(shè)計(jì)的效率只比滿功率大面積設(shè)計(jì)的效率稍低一點(diǎn)，而在輕載條件下（設(shè)計(jì)常常運(yùn)行在這種負(fù)載條件下）則更高。
圖 2 效率峰值出現(xiàn)在滿額定電流之前 下個(gè)月，我們將會(huì)討論利用增加開關(guān)頻率來減小磁性大小的一些局限性，敬請(qǐng)期待。 如欲了解這方面及其他電源解決方案的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問：www.ti.com/power-ca。 Robert Kollman現(xiàn)任 TI 高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理兼科技委員會(huì)的資深委員。他擁有在電源電子領(lǐng)域超過 30 年的工作經(jīng)驗(yàn)。Robert 畢業(yè)于得克薩斯 A&M 大學(xué) (Texas A&M University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) (Southern Methodist University)，獲電子工程碩士學(xué)位。 |
