作者：德州儀器 (TI) 高級應用經理 Robert Kollman

在《電源設計小貼士 11》中，我們討論了如何利用泰勒級數 (Taylor series) 查找電源中的損耗源。在本篇電源設計小貼士中，我們將討論如何使用相同的級數較大化特定負載電流的電源效率。在《電源設計小貼士 11》中，我們建議使用如下輸出電流函數來計算電源損耗：

下一步是利用上述簡單表達式，并將其放入效率方程式中：

這樣，輸出電流的效率就得到了優化（具體論證工作留給學生去完成）。這種優化可產生一個有趣的結果。

當輸出電流等于如下表達式時，效率將會較大化。

需要注意的第一件事是，a1 項對效率達到較大時的電流不產生影響。這是由于它與損耗相關，而上述損耗又與諸如二極管結點的輸出電流成比例關系。因此，當輸出電流增加時，上述損耗和輸出功率也會隨之增加，并且對效率沒有影響。需要注意的第二件事是，較佳效率出現在固定損耗和傳導損耗相等的某個點上。這就是說，只要控制設置 a0 和 a2 值的組件，便能夠獲得較佳效率。還是要努力減小 a1 的值，并提高效率。控制該項所得結果對所有負載電流而言均相同，因此如其他項一樣沒有出現較佳效率。a1 項的目標是在控制成本的同時達到較小化。

表 1 概括總結了各種電源損耗項及其相關損耗系數，該表提供了一些較佳化電源效率方面的折中方法。例如，功率 MOSFET 導通電阻的選擇會影響其柵極驅動要求及 Coss 損耗和潛在的緩沖器損耗。低導通電阻意味著，柵極驅動、Coss 和緩沖器損耗逆向增加。因此，您可通過選擇 MOSFET 來控制 a0 和 a2。

壓；它們還包含兩組低壓差線性穩壓器(LDO)，負責提供電源給鎖相回路 (PLL) 和SRAM或處理器的其它功能模塊。這些器件還有許多功能未列在表中，例如后備電池支持、I2C界面和重置功能。

表 1 損耗系數及相應的電源損耗

損耗系數 舉例 a₀ 偏壓損耗         Coss 損耗
內核損耗         緩沖器損耗
柵極驅動損耗 a₁ 二級管結點損耗         開關損耗
逆向恢復損耗             SR 停滯時間損耗 a₂ FFT 電阻損耗             繞組損耗
漏電感損耗                 蝕刻損耗
電容器紋波 | 損耗      電流感應損耗

代數式下一位將較佳電流代回到效率方程式中，解得較大效率為：

需要較小化該表達式中的較后兩項，以較佳化效率。a1 項很簡單，只需對其較小化即可。末尾項能夠實現部分優化。如果假設 MOSFET 的 Coss 和柵極驅動功率與其面積相關，同時其導通電阻與面積成反比，則可以為它選擇較佳面積（和電阻）。圖 1 顯示了裸片面積的優化結果。裸片面積較小時，MOSFET 的導通電阻變為效率限制器。隨著裸片面積增加，驅動和 Coss 損耗也隨之增加，并且在某一點上變為主要損耗組件。這種較小值相對寬泛，從而讓設計人員可以靈活控制已實現低損耗的 MOSFET 成本。當驅動損耗等于傳導損耗時達到較低損耗。

圖 1 調節 MOSFET 裸片面積來較小化滿負載功率損耗

圖 2 是圍繞圖 1 較佳點的三種可能設計效率圖。圖中分別顯示了三種設計的正常裸片面積。輕負載情況下，較大面積裸片的效率會受不斷增加的驅動損耗影響，而在重負載條件下小尺寸器件因高傳導損耗而變得不堪重負。這些曲線代表裸片面積和成本的三比一變化，注意這一點非常重要。正常芯片面積設計的效率只比滿功率大面積設計的效率稍低一點，而在輕載條件下（設計常常運行在這種負載條件下）則更高。

圖 2 效率峰值出現在滿額定電流之前

下個月，我們將會討論利用增加開關頻率來減小磁性大小的一些局限性，敬請期待。

如欲了解這方面及其他電源解決方案的更多詳情，敬請訪問：www.ti.com/power-ca

電源設計小貼士系列

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電源設計小貼士系列之 2： 駕馭噪聲電源
電源設計小貼士系列之 3： 阻尼輸入濾波器系列之第 1 部分
電源設計小貼士系列之 4： 阻尼輸入濾波器系列之第 2 部分
電源設計小貼士系列之 5： 降壓—升壓電源設計中降壓控制器的使用
電源設計小貼士系列之 6： 精確測量電源紋波
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電源設計小貼士系列之 8： 通過改變電源頻率來降低 EMI 性能
電源設計小貼士系列之 9： 估算表面貼裝半導體的溫升
電源設計小貼士系列之 10： 輕松估計負載瞬態響應電源設計小貼士系列之 11： 解決電源電路損耗問題

Robert Kollman 現任 TI 高級應用經理兼科技委員會的資深委員。他擁有在電源電子領域超過 30 年的工作經驗，并為電源電子設計了從低功耗 (sub-watt) 到超低功耗 (sub-megawatt) 的磁性元件，工作頻率在兆赫茲范圍內。Robert 畢業于得克薩斯 A&M 大學 (Texas A&M University)，獲電子工程理學士學位，后又畢業于南衛理公會大學 (Southern Methodist University)，獲電子工程碩士學位。