最大限度地提高开关模式电源的效率

　　为什么要花时间最大限度地提高开关模式电源的效率？更高效率的开关稳压器让您获得更多收益。在移动设备的世界中，最小化功耗是必须的。不要在电源中浪费电能。本博客着眼于在典型的降压或升压型DC-DC转换器中发现的低效率的根源。

　　主要损失来源

　　开关电源的主要损耗源随负载电流的不同而变化。在大电流下，主要的损耗来源是通过场效应晶体管 (FET)和电感器的电阻转换为热量的功率。在低电流时，主要源是打开和关闭 FET。切换栅极所需的功率在任何负载下都是恒定的，但随着负载吸收更多电流，用于切换栅极的功率在转换的总功率中所占的比例较小。

邮科DC_DC转换器/图

　　重载和轻载之间是最佳点。这是平衡栅极开关功率和电阻损耗的影响并实现最大效率的地方。理想情况下，它是调节器运行的地方，但这取决于负载消耗的电流量。将您的标称电流消耗与转换器数据表中提供的图表中的峰值效率电流消耗进行比较。优化您的 DC-DC 转换器，使其尽可能接近这些。这将最大限度地提高转换器设计固有变量的效率。

　　优化 FET

　　每个设计对 FET 的要求（电压输入、电压输出、电流消耗和有效功耗）都会发生变化。没有一种完美的 FET 可以适用于所有应用，但有一些关键标准可用于最大限度地提高效率。

　　降低 FET 的漏极和源极 (RDS) 之间的电阻。RDS 应尽可能低，2A 时的 1Ω 电阻变成 4W 功率损耗，对于大多数应用，我的目标是低于 50mΩ。在您完成计算以确定功率损耗后，确认 FET 或集成电路 (IC) 可以有效地将功率耗散为热量。重要的是要记住，随着半导体升温，电阻会降低。由于温度会导致自发热，这可能会产生反馈回路并烧毁电路。

　　最小化栅极电荷 (QG) 将通过缩短 FET 开关时出现的 ID x VDS 峰值的持续时间来降低 FET 中的开关损耗。即使在不是主要损耗源的重负载下，降低栅极开关损耗可能仍然值得。请记住，FET 完全导通所需的电压将高于宣传的最小开启电压。查阅 FET 数据表中的图表以确认最大电导率的正确电压。很多转换器 IC 都集成了 FET，可能没有关于 VGS 或 CGSS 的有用信息。

　　更快的切换通常会导致更差的电磁兼容性 (EMC)，因此请务必采用降低 EMC 的策略。在高功率情况下，EMC 可能会更糟，可能值得用一个电阻器增加 R 以减慢开关速度，即使它会导致效率降低。

　　同步和异步转换器

　　同步转换器有一个内置的低压侧开关来代替异步转换器中使用的整流二极管。同步转换器几乎总是比异步转换器更有效。在任何合理的 RDS (< 50mΩ) 下，二极管上消耗的功率将使低侧 FET 的功率相形见绌。

　　在异步转换器的情况下，肖特基二极管可以很好地替代整流二极管。它们具有显着降低的正向电压降。肖特基的反向极性恢复时间较慢，因此请务必使用适合肖特基的频率。幸运的是，较低的频率效率更高，因为它们会降低电感器磁芯损耗和栅极开关损耗。

　　电感器注意事项

　　就像 FET 一样，电感器的电阻 (DCR) 上也会消耗功率。选择具有较小 DCR 的电感器有助于降低功率损耗。

　　电感器开关损耗的物理特性超出了本博客的范围。关于这个主题有很多论文，但您需要知道的是，磁芯损耗会随着开关频率的增加而增加。更高的开关频率允许选择物理上更小的电感器。在您的设计中，选择可能是尺寸和效率之间的权衡。如果您有空间，具有较低开关频率的较大电感器将最大限度地减少这些损耗。选择具有较低或可调节开关频率的转换器 IC 可以更好地控制这些因素。

　　一定要模拟电感器，以确保电流不会导致它饱和。

　　查阅数据表

　　许多数据表现在都有效率图表和推荐的组件值。有时它们甚至包括推荐的零件编号。该制造商还致力于充分利用其 DC-DC 转换器。虽然您不太可能看到它们在接近理想的测试环境中取得的相同结果，但最好将它们用作检查您的数字的起点。

　　结论

　　提高开关电源效率的主要方法是：

　　最小化 FET 的 RDS 和电感器的 DCR尽可能考虑使用同步转换器确定电感应切换的最佳频率阅读数据表并咨询制造商参考设计