开关电源的影响的主要因素

效率是任何开关电源的基本指标，任何开关电源的设计考首先需要考虑的是效率优化，特别是便携式产品，因为高效率有助于延长电池的工作时间，消费者可以有更多时间享受便携产品的各种功能。开关电源设计中，为获得最高转换效率，工程师必须了解转换电路中产生损耗的机制，以寻求降低损耗的途径。另外，工程师还要熟悉开关电源器件的各种特点，以选择最合适的芯片来达到高效指标。

本文介绍了影响开关电源效率的基本因素，并提供了一些关于降低开关电源损耗的方法。

效率估计

能量转换系统必定存在效率损耗，因此，在实际应用中我们只能尽可能地获得接近100%的转换效率。目前市场上一些高质量开关电源的效率可以达到95%左右。图1所示电路的效率可以达到97%，但在轻载时效率有所降低。

开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET和二极管)，另外一部分损耗来自电感和电容。选择开关电源器件时，需要考虑控制器的架构和内部元件，以期获得高效指标。图1采用了多种方法来降低能量损耗，例如：同步整流，芯片内部集成低导通电阻的MOSFET，低静态电流和跳脉冲控制模式。

图1MAX1556降压控制器的应用电路

开关器件的损耗

MOSFET和二极管由于其自身特性，会大大降低系统效率。相关损耗主要分成两部分：传导损耗和开关损耗。简单地说，任何电流回路都存在损耗电阻，造成能量损耗。MOSFET和二极管是开关元件，导通时电流流过MOSFET或二极管，会有导通压降。由于MOSFET只有在导通时才有电流流过，MOSFET的传导损耗与其导通电阻、占空比和导通时的电流有关：

PCONDMOSFET = IMOSFETONavg 2 ×RDSON ×D

式1中，IMOSFETONavg是MOSFET在导通时的平均电流。MOSFET的传导损耗的起因是导通电阻，导通电阻通常非常小。二极管的传导损耗则取决于自身的导通压降(VF)，导通压降相对较大。因此，二极管与MOSFET相比会引入更大的传导损耗。二极管的传导损耗由导通电流、导通压降、导通时间决定。MOSFET关断时，二极管导通，二极管的传导损耗可以由以下公式计算：

PCONDDIODE = IDIODEONavg ×VF×(1-D)

IDIODEONavg是二极管导通时的平均电流。从公式可以看出，导通时间越长，相关的传导损耗越大。降压电路中，输出电压越低，二极管的导通时间越长，相应的传导损耗也越大。

由于开关损耗是由开关的非理想状态引起的，很难估算MOSFET和二极管的开关损耗，器件从完全导通到完全关闭或从完全关闭到完全导通需要一定时间，在这个过程中会产生能量损耗。图2所示MOSFET的漏源电压和漏源电流的关系图可以很好地解释MOSFET的开关损耗，从上半部分波形可以看出，在MOSFET的开关过程中，由于对MOSFET的电容充电、放电，其电流和电压不能突变。图中，VDS降到最终状态(=ID×RDSON)之前，满负荷电流将流过MOSFET。相反，关断时，VDS在MOSFET电流下降到零值之前逐渐上升到关断状态的最终值。开关过程中，电压和电流的交叠部分即为造成开关损耗的来源，从图2可以清楚地看到这一点。

图2开关损耗发生在MOSFET通断期间的过渡过程

开关过渡时间与频率无关，因此开关频率越高开关损耗也越大。这一点很容易理解，开关周期变短时，MOSFET的开关过渡时间所占比例会大大增加，从而增大开关损耗。

与MOSFET相同，二极管也存在开关损耗。这个损耗很大程度上取决于二极管的反向恢复时间，发生在二极管从正向导通到反向截止的转换过程。当反向电压加在二级管两端时，电流会对二极管充电，产生反向电流尖峰(IRRPEAK)，从而造成V × I能量损耗，因为反向电流和反向电压同时存在于二极管。图3给出了二极管在反向恢复时的示意图。

图3反向电压加在二级管时由于正向电流造成的累积电荷的释放形成了电流尖峰

了解了二极管的反向特性，可以由下式估算二极管的开关损耗：

PSWDIODE ≈ 0.5×VREVERSE×IRRPEAK×tRR2×fs