高效率开关电源设计

VF, max, TVJ =150°C, (V) 1.00
@ IF, (A) 15
trr, typ, TVJ =25°C, (ns) 35
IRM , typ, TVJ =100°C, (A) 3
@ -di/dt, (A/µs) 200
TVJM, (°C) 175
RthJC, max, (°C/W) 1.70
选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。
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1.4 同步整流器可以使输出ห้องสมุดไป่ตู้流器的 导通损耗降低
为了降低输出整流器的导通损耗，可以采 用MOSFET构成同步整流器，如果一个导 通电阻为10mΩ的MOSFET流过20A电流， 其导通电压降仅仅0.2V！明显低于肖特基 二极管的在这个电流下的导通电压，如果 流过10A电流，则导通电压会更低。 现在的高效率开关电源的输出整流器主要 采用同步整流器。
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1.3.输出整流器的损耗
输出整流器的损耗主要是导通损耗。
在低电压输出时（如5V或3.3V），即使采 用肖特基二极管（导通电压降约0.5V）作 为输出整流器，其导通损耗也会使这一部 分的效率不足10%！这样整机的效率大部 分不会超过80%。
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需要注意肖特基二极管的漏电流
尽管肖特基二极管的导通电压降比较低，但 是肖特基二极管的漏电流比较大，应用不当 时会出现高温状态下的漏电流产生的损耗会 比由于低导通电压所减少的损耗还大。 这就是有时应用肖特基二极管时效率并不是 很高的原因之一。
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近几年新出的FRED的IRM则仅为其 额定电流的2/3或更低。
DPG30C200HB
VRRM, (V) 200
IFAVM, d = 0.5, Total, (A) 30
IFAVM, d = 0.5, Per Diode, (A) 15
@ TC, (°C) 140
IFRMS, (A) - IFSM, 10 ms, TVJ=45°C, (A) 150
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栅极电荷对开关损耗产生的影响
其中对MOSFET开关过程影响最大的是米 勒电荷，即栅-漏极电荷。 例如栅极电荷为140nC的IRFP450 （14A/500V）的栅-漏极电荷为80nC。 而fairchild的FQAF16N50 （16A/500V， 全塑封装为11.5A）的栅-漏极电荷为28nC； ST的STE14NK50Z的栅-漏极电荷为31nC
1. 对于MOSFET而言，降低导通电阻可以有 效降低导通损耗。
例如将IRF840换成IRF740可以将导通电 阻从0.8Ω降低到0.55Ω，导通损耗可以降低 40%以上； 若采用CoolMOS的SPP07N06C3 (RDS(ON)=0.6Ω) 替代IRFBC40（RDS（ON）=1.2Ω）导通损耗可 以降低一半。
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增加占空比可以降低导通损耗
在开关管额定电流相同的条件下，占空比 为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的 80%。
这种损耗的减少是在不增加成本和电路复 杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得 到的。
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常规技术下开关管的导通损耗比例
MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占 开关管总损耗的2/3； IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关 管总损耗的1/3。
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开关过程对开关损耗的影响
开关管的开关过程中，电流、电压同时存在， 这个过程越长开关损耗越大。 1. 在开关管的开关过程中让电流、电压相对 的相位发生变化可以降低开关损耗； 2. 在开关管的开关过程中电流、电压值存在一 个，而另一个为零，可以消除开关损耗； 3. 缩短开关过程可以减小开关损耗
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1.2 降低导通损耗的方法
选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导 通占空比（不能无限制增加）； 选择导通电阻相对低的MOSFET； 降额使用，例如将可以输出250W的TOP250用于 输出50W的方案中，可以使电源效率达到87%； 选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时 间比较早的器件导通电阻小； 选择导通电压降更低的器件作为开关管， 例如用IRF740替代IRF840，或者采用CoolMOS 替代常规MOS的方法。
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栅极电荷对开关损耗产生的影响
在相同的驱动条件下，IRFP450的开关时 间大约为FQAF16N50的2.86倍； 是STE14NK50Z的2.58倍。 对应的ORFP450的开关损耗也将是 FQAF16N50的2.86倍， STE14NK50Z的 2.58倍。
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二极管反向恢复过程产生对开关管 开关损耗产生的影响
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二极管的反向恢复电流对开关过程的影响
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结温升高导致反向恢复峰值电流的增加
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IRM值有多大？
一般的FRED在100A/μs和150℃结温条件 下要比其正向额定电流还大。
为了降低600V耐压的FRED反向峰值电流， 甚至还采用了两只300V耐压的FRED ，特 别是在功率因数校正应用中。
一、开关电源损耗分析与 减小的方法
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（一）导通损耗分析
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1.1 常规技术下变换器的损耗主要是 开关管和输出整流器的损耗
1. 开关管的导通损耗； 2. 开关管的开关损耗。
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MOS作为开关管时的导通损耗
其中的电压和电流均为有效值。
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矩形波电流与占空比的关系
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降低开关管的导通电压可以有效地 降低导通损耗
驱动能力对开关损耗产生的影响
驱动MOSFET实际上是对MOSFET的栅极 电容的充放电过程。 例如在100ns时间内驱动一个100nC栅极电 荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关 断需要1A驱动电流，如果是200mA则驱动 时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会 增加到1A驱动电流的5倍。 因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非 常重要。
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（二）开关管的开关损耗分析
在常规技术下，开关损耗随开关频率的升 高而上升， 轻载时（如30%负载）开关电源的效率会 明显降低。
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2.1 开关管开关损耗产生的原因
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开关过程对损耗的影响
开关管开关过程是开关感性负载， 开通过程需要电流首先上升到“电源电流”， 然后才是电压的下降； 关断过程则是电压上升到“电源电压”，然 后才是电流的下降。 这些过程中，有电压电流同时存在的现象。 其电流、电压的乘积非常高，因而产生开关 损耗。