【導(dǎo)讀】在【電源設(shè)計小貼士11】中，我們討論了如何利用泰勒級數(shù) (Taylor series) 查找電源中的損耗源。在本篇電源設(shè)計小貼士中，我們將討論如何使用相同的級數(shù)最大化特定負(fù)載電流的電源效率。
在【電源設(shè)計小貼士11】中，我們建議使用如下輸出電流函數(shù)來計算電源損耗：
下一步是利用上述簡單表達(dá)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(yōu)化（具體論證工作留給學(xué)生去完成）。這種優(yōu)化可產(chǎn)生一個有趣的結(jié)果。
當(dāng)輸出電流等于如下表達(dá)式時，效率將會最大化。
需要注意的第一件事是，a1項對效率達(dá)到最大時的電流不產(chǎn)生影響。這是由于它與損耗相關(guān)，而上述損耗又與諸如二極管結(jié)點的輸出電流成比例關(guān)系。因此，當(dāng)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，最佳效率出現(xiàn)在固定損耗和傳導(dǎo)損耗相等的某個點上。這就是說，只要控制設(shè)置a0和a2值的組件，便能夠獲得最佳效率。還是要努力減小a1的值，并提高效率。控制該項所得結(jié)果對所有負(fù)載電流而言均相同，因此如其他項一樣沒有出現(xiàn)最佳效率。a1項的目標(biāo)是在控制成本的同時達(dá)到最小化。
表1概括總結(jié)了各種電源損耗項及其相關(guān)損耗系數(shù)，該表提供了一些最佳化電源效率方面的折中方法。例如，功率MOSFET導(dǎo)通電阻的選擇會影響其柵極驅(qū)動要求及Coss損耗和潛在的緩沖器損耗。低導(dǎo)通電阻意味著，柵極驅(qū)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(wěn)壓器(LDO)，負(fù)責(zé)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(shù)及相應(yīng)的電源損耗
代數(shù)式下一位將最佳電流代回到效率方程式中，解得最大效率為：
需要最小化該表達(dá)式中的最后兩項，以最佳化效率。a1項很簡單，只需對其最小化即可。末尾項能夠?qū)崿F(xiàn)部分優(yōu)化。如果假設(shè)MOSFET的Coss和柵極驅(qū)動功率與其面積相關(guān)，同時其導(dǎo)通電阻與面積成反比，則可以為它選擇最佳面積（和電阻）。圖1顯示了裸片面積的優(yōu)化結(jié)果。裸片面積較小時，MOSFET的導(dǎo)通電阻變?yōu)樾氏拗破鳌ｋS著裸片面積增加，驅(qū)動和Coss損耗也隨之增加，并且在某一點上變?yōu)橹饕獡p耗組件。這種最小值相對寬泛，從而讓設(shè)計人員可以靈活控制已實現(xiàn)低損耗的MOSFET成本。當(dāng)驅(qū)動損耗等于傳導(dǎo)損耗時達(dá)到最低損耗。
圖1 調(diào)節(jié)MOSFET裸片面積來最小化滿負(fù)載功率損耗
圖2是圍繞圖1最佳點的三種可能設(shè)計效率圖。圖中分別顯示了三種設(shè)計的正常裸片面積。輕負(fù)載情況下，較大面積裸片的效率會受不斷增加的驅(qū)動損耗影響，而在重負(fù)載條件下小尺寸器件因高傳導(dǎo)損耗而變得不堪重負(fù)。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(shè)計的效率只比滿功率大面積設(shè)計的效率稍低一點，而在輕載條件下（設(shè)計常常運行在這種負(fù)載條件下）則更高。
圖2 效率峰值出現(xiàn)在滿額定電流之前
