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影響大功率DC-DC開關直流電源效率的主要因素

發(fā)布時間： 2016-06-22 14:23:01 關注量：1629

1功率估量

能量變換體系必定存在能耗，盡管實踐運用中無法取得100%的變換功率，可是，一個高質量的直流電源功率能夠到達十分高的水平，功率挨近95%.

絕大多數(shù)直流電源IC的工作功率能夠在特定的工作條件下測得，數(shù)據資料中給出了這些參數(shù)。Maxim的數(shù)據資料給出了實踐測驗得到的數(shù)據，其他廠商也會給出實踐丈量的成果，但咱們只能對咱們自個的數(shù)據擔保。圖1給出了一個SMPS降壓變換器的電路實例，變換功率能夠到達97%，即便在輕載時也能堅持較高功率。

選用啥訣竅才干到達如此高的功率?咱們從了解SMPS損耗的公共疑問開端，開關直流電源的損耗大有些來自開關器材(MOSFET和二極管)，別的小有些損耗來自電感和電容?？墒牵偃邕\用十分便宜的電感和電容(具有較高電阻)，將會導致?lián)p耗顯著增大。

選擇IC時，需求思考操控器的架構和內部元件，以期取得高效目標。例如，圖1選用了多種辦法來下降損耗，其間包含：同步整流，芯片內部集成低導通電阻的MOSFET，低靜態(tài)電流和跳脈沖操控模式。咱們將在本文展開評論這些辦法帶來的優(yōu)點。

2降壓型SMPS

損耗是任何SMPS架構都面對的疑問，咱們在此以圖2所示降壓型(或buck)變換器為例進行評論，圖中標明各點的開關波形，用于后續(xù)核算。

通用降壓型SMPS電路和有關波形，關于了解SMPS架構供給了一個極好的參考實例。

降壓變換器的首要功能是把一個較高的直流輸入電壓變換成較低的直流輸出電壓。為了到達這個要求，MOSFET以固定頻率(fS)，在脈寬調制信號(PWM)的操控下進行開、關操作。當MOSFET導通時，輸入電壓給電感和電容(L和COUT)充電，通過它們把能量傳遞給負載。在此時期，電感電流線性上升，電流回路如圖2中的回路1所示。當MOSFET斷開時，輸入電壓斷開與電感的連接，電感和輸出電容為負載供電。電感電流線性下降，電流流過二極管，電流回路如圖中的環(huán)路2所示。MOSFET的導通時刻定義為PWM信號的占空比(D)。D把每個開關周期分紅[D×tS]和[(1-D)×tS]兩有些，它們別離對應于MOSFET的導通時刻(環(huán)路1)和二極管的導通時刻(環(huán)路2)。所有SMPS拓撲(降壓、反持平)都選用這種辦法區(qū)分開關周期，完成電壓變換。關于降壓變換電路，較大的占空比將向負載傳輸較多的能量，均勻輸出電壓添加。相反，占空對比低時，均勻輸出電壓也會下降。依據這個聯(lián)系，能夠得到以下抱負狀況下(不思考二極管或MOSFET的壓降)降壓型SMPS的變換公式：VOUT=D×VINIIN=D×IOUT需求留意的是，任何SMPS在一個開關周期內處于某個狀況的時刻越長，那么它在這個狀況所形成的損耗也越大。關于降壓型變換器，D越低(相應的VOUT越低)，回路2發(fā)作的損耗也大。

1、開關器材的損耗MOSFET傳導損耗

典型的降壓型變換器的MOSFET電流波形，用于預算MOSFET的傳導損耗?下式給出了更精確的預算損耗的辦法，運用IP和IV之間電流波形I2的積分代替簡單的I2項?PCOND(MOSFET)=[(IP3-IV3)/3]×RDS(ON)×D=[(IP3-IV3)/3]×RDS(ON)×VOUT/VIN式中，IP和IV別離對應于電流波形的峰值和谷值，如圖3所示?MOSFET電流從IV線性上升到IP，例如：假如IV為0.25A，IP為1.75A，RDS(ON)為0.1Ω，VOUT為VIN/2(D=0.5)，根據均勻電流(1A)的核算成果為：PCOND(MOSFET)(運用均勻電流)=12×0.1×0.5=0.050W.

運用波形積分進行更精確的核算：PCOND(MOSFET)(運用電流波形積分進行核算)=[(1.753-0.253)/3]×0.1×0.5=0.089W或近似為78%，高于依照均勻電流核算得到的成果?關于峰均對比小的電流波形，兩種核算成果的不一樣很小，運用均勻電流核算即可滿足要求?

2、二極管傳導損耗

MOSFET的傳導損耗與RDS(ON)成正比，二極管的傳導損耗則在很大程度上取決于正導游通電壓(VF)。二極管一般比MOSFET損耗更大，二極管損耗與正向電流、VF和導通時刻成正比。因為MOSFET斷開時二極管導通，二極管的傳導損耗(PCOND(DIODE))近似為：PCOND(DIODE)=IDIODE(ON)×VF×(1-D)式中，IDIODE(ON)為二極管導通時期的均勻電流。圖2所示，二極管導通時期的均勻電流為IOUT，因而，關于降壓型變換器，PCOND(DIODE)能夠依照下式預算：PCOND(DIODE)=IOUT×VF×(1-VOUT/VIN)與MOSFET功耗核算不一樣，選用均勻電流即可得到對比精確的功耗核算成果，因為二極管損耗與I成正比，而不是I?。明顯，MOSFET或二極管的導通時刻越長，傳導損耗也越大。關于降壓型變換器，輸出電壓越低，二極管發(fā)作的功耗也越大，因為它處于導通狀況的時刻越長。

3、開關動態(tài)損耗

因為ACDC開關電源損耗是由開關的非抱負狀況導致的，很難預算MOSFET和二極管的開關損耗，器材從徹底導通到徹底封閉或從徹底封閉到徹底導通需求必定時刻，在這個進程中會發(fā)作功率損耗。

開關損耗發(fā)作在MOSFET通、斷時期的過渡進程開關損耗跟著SMPS頻率的增加而增大，這一點很簡單了解，跟著開關頻率進步(周期縮短)，開關過渡時刻所占份額增大，然后增大開關損耗。開關變換進程中，開關時刻是占空比的二十分之一關于功率的影響要遠遠小于開關時刻為占空比的十分之一的狀況。因為開關損耗和頻率有很大的聯(lián)系，工作在高頻時，開關損耗將成為首要的損耗因素。

客戶感言

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經人介紹認識了艾德杰，試著從他們那里買了一套產品，性能穩(wěn)定，故障幾乎沒有，即便有點小問題，他們也會過來處理，后來就一直和他們進行友好合作。
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李明仕

湖北武漢人 1970年7月出生碩士學歷。從事電源設計研發(fā)工作30年，先后擔任多家電源公司的技術總監(jiān) 技術成果 1． 1996年獲武漢市科學技術研究成果證書武科成證字(96)第014號登記號WK9601003 成果名稱:DTK系列開關型直流穩(wěn)壓電源 2． 1996年武漢高創(chuàng)電子有限公司的電源項目獲得電源行業(yè)的第一個國家火炬計劃 3． 2000年武漢玉星電子有限責任公司<<電壓過零檢控軟開關電源>>項目獲科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金無償資助,項目代號20004214054563 4.　電源方面各項專利近20項，其中發(fā)明專利2項。 5. 國內電源期刊上發(fā)表多篇論文。

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沈錦飛

1955年出生，現(xiàn)任江南大學物聯(lián)網學院教授、碩士生導師。主要從事電力電子電路、裝置與電能質量控制的研究和教學工作，發(fā)表學術論文30多篇，其中EI檢索5篇，獲得教育部科技進步獎、江蘇省教學成果獎、無錫市科技進步獎，多項發(fā)明專利，主編本科教材；被評為無錫市優(yōu)秀教師、市級先進個人。是中國自動化學會會員、江蘇省電工協(xié)會自動控制系統(tǒng)專委會委員、無錫市自動化學會理事、無錫市電機工程學會理事。

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