DCDC基础测试:如何测效率?

效率测试得到的结果有时并不尽如人意,当效率没有达到预期值时,可以用哪些方法来进行优化呢?此处列出以下几种,以供参考,也欢迎补充和指正。

1. 更换器件

在基础的DCDC电路中(此处依旧以BUCK 电路为例),有不少器件上都会产生损耗,从而影响效率:

a. 电感DCR :指的是电感的直流电阻(即线圈的电阻),可将其与普通电阻一样视为耗能元件,在流过电流时,会产生损耗。故选择DCR更小的电感,可以达到减小损耗,提升效率的效果。

b. 电容ESR :由于所有的器件都不是理想元件,实际的电容都具有寄生参数ESR(等效串联电阻)。当电流流过,ESR越大,则电阻损耗的功率越大,不仅会对效率有影响,还会影响电容寿命。故降低电容ESR也可以达到提高效率的效果。也可以采用多个电容并联的方式来降低ESR。

c. MOSFET

目前常用的同步DCDC变换器中,都有MOSFET的存在。Rdson指的是晶体管的导通阻抗(可在器件规格书上找到),这一规格直接决定了MOSFET的功率效率。小的Rdson 值有利于减小器件导通期间产生的损耗。

除了导通损耗,会影响效率的还有器件的开关损耗。开关损耗的产生来自于器件开关瞬间,其电流与电压曲线的交叠面积(如下图)。故提高MOS管的开关速度和驱动速度也能提高效率。
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如今,由于对高集成度的追求,很多的电源芯片都将开关管集成在了芯片内部,此时就不存在对MOS管单独选型的问题,而是对电源芯片的直接选择。例如MPS有以下常用的 低Rdson 产品:

MP2332 MP2332 (monolithicpower.cn)

MP8770 MP8770 | 17V, 8A, 700kHz, High-Efficiency, Synchronous, Step-Down | MPS | Monolithic Power Systems

MP2322 MP2322 (monolithicpower.cn)

MP2329 MP2329 (monolithicpower.cn)

……

2. 降频

开关损耗的降低,不仅可以通过提高开关管的速度,也可以通过降频来达到。轻载时,开关损耗几乎不变,由于输出功率较低,所以效率下降很多。

MPS电源小课堂:非隔离电源的轻载高效小妙招 - 视频 - 支持 (monolithicpower.cn)

以上链接中,科普了三种有效提高轻载时电源效率的工作模式及其原理。其中AAM是MPS特有的工作模式。电源输出轻载电流时,工作在PFM(pulse-frequency modulation)模式;在输出重载时,工作在PWM(pulse-width modulation)模式。

MP2491C MP2491C (monolithicpower.cn)

MP4572 MP4572 (monolithicpower.cn)

MP9928 MP9928 | Controllers | 4V-60V Input, Current Mode, Synchronous Step-Down Controller | MPS | Monolithic Power Systems

MP4581 MP4581 (monolithicpower.cn)

……

以上列举了一些MPS产品,他们带有不同的工作模式(PFM, PSM, AAM)来实现轻载时的高效。在着重追求高效的应用上,可以优先考虑带有这些工作模式的电源芯片。

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