提高有功模式效率以满足“能源之星”要求

中一种技术是通过降低电源的频率来减小开关损耗，从而提高低功率工作模式下的效率。

图5 脉冲频率调制

开关模式电源有两种工作模式：脉宽调制(PWM)模式和脉冲频率调制(PFM)模式。在PWM模式下，开关频率是固定的。通过改变电源的占空比来控制输出电压。

在PFM模式下，通过随线路和负载条件的变化而改变开关频率来控制输出电压。这时，开关频率与输出功率成比例。在输出功率很低时，开关频率降低，开关损耗减小，效率提高。PFM控制器的静态电流消耗只限于其基准电压和误差比较器的偏置所需的电流。不过，PWM控制器始终带有一个有源振荡器，即使在空载时，它也会持续从输入源汲取电流。

许多PWM电源控制器都关断大部分或部分PWM功能性，以求降低极轻载或空载条件下的损耗。在这种方案中，突发模式前后还有几个相关的延时周期，会带来可听噪声问题。

图6 迟滞控制

当电源重新开启，并从轻载向满载变化时，这种延时还会造成输出电压下降，迫使电源设计人员不得不使用额外的并联输出电容，从而增加系统的成本和尺寸。

先进突发模式可把轻载条件下的开关损耗降至最小，缺点是会增加DC输出纹波，延长控制周期。

启动电阻损耗
高压半导体IC工艺的进步让电源IC可以直接从AC整流高电压启动，不再像以往那样需要启动电阻来把高电压降压到低电压，从而避免了这部分功耗。

图7中，高压内部电流源(Ics)为内部偏置电路供电，为Cvcc电容充电。而且，当Vcc达到阈值时，内部电流源被禁用，PWM的偏置电流来自于调节辅助绕组(Auxwndg)。本系统中，低静态电流是关键的设计考虑因素。

图7 通过Rbias或利用HV IC实现Vcc偏置

DC/DC功率部件
前面我们讨论了运用于DC/DC的 PWM、PFM和突发模式，本节将着重讨论设计和元件优化。

对于MOSFET，除了通常的传导损耗和开关损耗之外，还有一些可能被忽略的其他损耗。下面我们将讨论其中部分损耗，以及提高满载和轻载效率的方法。

高边和低边同步MOSFET不同的电气特性要求
当同步降压转换器的占空比在50%左右时，高边和低边MOSFET可以使用相同器件；但占空比较小时，必须根据不同的条件来分别选择每个MOSFET。

图8 Power 56的示意图与封装

占空比很小时，高边MOSFET需要非常快速地导通和关断，因此应该选择具有极小栅极电荷的MOSFET。
对于低边MOSFET，由于在开关周期内，它的传导时间要长得多，故支持的RMS电流大得多，这时I2R损耗占主要部分，导通阻抗Rds(on)成为更重要的因子。通过为高边MOSFET选择小栅极电荷(Q1)器件，为低边MOSFET选择低导通阻抗(Q2)器件，而不是高低边MOSFET采用相同的器件，可以获得更高的效率。

直通损耗
当MOSFET的漏源电压迅速上升时，感应产生的dv/dt会导致MOSFET导通。对于12V或更高的输入电压，这可能是一个问题。而且随着MOSFET的漏源电压急剧增加，dv/dt感应电压尖峰可能经由Cgd栅漏电容(米勒电容)出现在相应的栅极信号上。

如果dv/dt感应电压尖峰超过了给定阈值电压，MOSFET就会在本应该关断的时候暂时导通，对总体效率造成不良影响。必须确保所选的控制器使用了“固定死区时间”或“自适应栅极驱动”技术，或者二者兼备。

死区时间损耗
当一个同步整流器关断时，存在一个死区时间，以确保高边MOSFET等待低边MOSFET关断，从而避免交越传导。在死区时间内，低边MOSFET的内部体二极管由于反向恢复速度很慢，故需要一定的时间才能关断，这就在该时间内产生额外的功耗。

利用集成有肖特基二极管、几乎没有反向恢复时间的MOSFET来代替常规体二极管，有助于降低死区时间内的体二极管损耗。

图9 通过提高频率，减少寄生效应来减小系统尺寸

寄生损耗
任何电路都会因元件封装和电路布局而存在寄生电感。由于输出功率等于输入功率减去寄生功耗，故更高的频率有助于减小器件的尺寸，把寄生电容和寄生电感效应降至最小。增加开关频率可减少元件数目，提高集成度，增强对寄生效应的控制，从而减小总体电源系统的尺寸。

多个负载开关
在子电路进入待机模式时，负载开关可以利用使能管脚或通过I2C控制来关断其电源。减小待机电流的一种解决方案是关断系统中未使用的子电路或功能模块。系统中的电路可划分为许多子电路或功率岛区，其中每一个都整合有一个负载开关。

在待机模式下，维持供电只是为了子电路保持稍后恢复工作状态所必需的信息，图10中的子电路#1就是这种情况。所有其他子电路则关断以节电。

利用这种方法，尽管待机电流仍然大于关断所有子电路的方法，但有可能实现一个可快速恢复的待机状态。

这种方法可能带来一个工程技术挑战，即如何实现