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如何从元器件的角度提升开关电源的转换效率?

更新说明:①《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》已经完成24万字600多页,初稿仍在完善中,部分章节内容不完整,无法严格按照章节顺序更新...②通常只能利用睡觉、工作之外属于我们自己的第三个8小时及周末写作,同时更新到订阅号中,所以是“每周&不定时”更新...

------------------------------------------------1. 简介

上图所示,此文回答某平台上某工程师的问题,讨论如何从元器件选型的角度来提升BUCK开关电源的转换效率。

2. BUCK开关电源的6个组成部分

上图所示,是非同步BUCK电路的拓扑,可见其组成部分有:输入电容Cin,输出电容Cout,开关管Q1,续流二极管D,功率电感L,控制器件IC,共6个元器件(不包括输入源Vin和负载RL)。

上图所示,BUCK开关电源中的每个元器件都存在对应的功率损耗,功率损耗越大,就会导致转换效率越低。
所以,从元器件选型的角度看,提升转换效率的方法就是,选择寄生参数更小的元器件。3. BUCK开关电源中的功率损耗

3.1 输入/输出电容上的功率损耗

参考上图,因为对于电容来说,ESR是其寄生参数,从电容选型的角度看,选择更小ESR参数的电容,就可以降低输入或输出电容上的功率损耗,从而能够在一定程度上提升转换效率。
3.2 高边开关管上的功率损耗

(1)高边开关管上的导通损耗

(2)高边开关管上的开关损耗或交叉损耗

(3)高边开关管上的输出电容损耗

(4)高边开关管上的栅极驱动损耗

所以,从高边开关管元件选型看,选择较低的导通电阻Rds(on)、上升时间、下降时间、输入电容Cgd/Cgs和输出电容Cds这些寄生参数,就可以降低高边开关管上的功率损耗,从而能够在一定程度上提升转换效率。

3.3 续流二极管上的功率损耗

(1)续流二极管上的正向导通损耗

(2)续流二极管上的反向恢复损耗

所以,选择具有较小的正向导通压降Vf、反向恢复电流Irr、反向恢复时间trr的续流二极管,可以降低其上功率损耗,从而能够在一定程度上提升转换效率。

3.4 功率电感上的导通损耗

所以,选择具有较小的直流电阻DCR寄生参数的功率电感,可以降低其上功率损耗,从而能够在一定程度上提升转换效率。3.5 控制器件的功率损耗

所以,从BUCK开关电源控制器的角度看,选择具有较低的工作电流的IC,可以降低其上功率损耗,从而能够在一定程度上提升转换效率。4. 小结
综上所述,所有的参数都是可以量化的;使用“控制理论”或“大数定理”的思维总结就是,只要迭代次数足够,我们要设计的电路总能够向着“设计需求Design Requirement”收敛。

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