如何提高嵌入式设计的电源效率

过去25年中，肖特基整流器已广泛用于嵌入式电源中。肖特基二极管具有非常低的正向电压降（V F），在合理的泄漏电流下，开关速度在纳秒范围内，与传统的外延pn二极管相比具有竞争优势。

因此，肖特基二极管已成为低于150V电压范围的电源输出级中的主导技术。在此电压之上，肖特基二极管的V F 可以等于等效外延pn二极管。

但是，与pn二极管相比，肖特基二极管因在截止状态下具有较高的泄漏电流而闻名，并且其最大额定结温低于传统的外延p二极管。

在需要高击穿电压或高可靠性（高工作温度或高电流）的应用中，pn二极管占据了整流器市场的主导地位。不幸的是，与外延肖特基二极管相比，pn外延二极管具有更大的反向恢复时间，从而增加了电源内的开关损耗。超级势垒整流器（SBR）技术结合了肖特基二极管的低VF性能，同时具有外延p二极管的高可靠性特性。领取嵌入式物联网学习路线

本文介绍了实验室得出的数据，这些数据证明了SBR在电源的次级中使用时的好处。特别是，它着重说明了超级势垒整流器如何在无需昂贵的重新设计的情况下提高效率，降低组件温度并提高电源的整体坚固性。

图1。80PLUS电源带有多路输出的两个开关正激转换器。

提高效率

台式计算机电源通常称为“ Silverbox PSU”，可将交流线路转换为低压直流输出，以供硬盘驱动器，微处理器和PC接口使用。它由前端功率因数校正（PFC）级和随后的带多个输出的隔离式DC / DC转换器组成。

更高效率的驱动意味着电源设计人员现在将两个开关正向拓扑结构（上面的图1）偏爱传统的单开关拓扑结构作为DC / DC转换级。附加晶体管有助于降低电压应力，使整体系统效率达到80PLUS（效率大于80％）要求，尽管增加了复杂性，增加了组件数量并降低了成本。领取嵌入式物联网学习路线

通过整流来自多路输出隔离式DC / DC转换器的一个次级绕组的脉冲信号来获得每个电源输出。常规上，使用45V至100V肖特基二极管可实现输出整流。额定功率为数百瓦的80PLUS计算机电源提供了一个出色的测试台，以证明SBR二极管的实用优势。

80PLUS电源的5V和3.3V输出轨用于评估肖特基整流器30CTQ045和30CTQ060的效率。效率和外壳温度测量是在室温和50°C的环境温度，30％和满载条件下进行的。然后用SBR二极管代替肖特基二极管重复评估。

正激转换器的输出级以200kHz的开关频率工作。在低负载条件下，整流器在不连续导通模式（DCM）下工作，并在高负载下进入连续导通模式（CCM）运行，以利用较低的RMS /峰值电流值。

转换器效率在115Vac下测量。在电缆的末端测量用于效率评估的输出电压。在各种负载下测量效率，更关键的是分别达到20％，50％和100％。

图2。室温20A输出时5V效率领取嵌入式物联网学习路线

上面的图2和下面的图3展示了80PLUS电源的5V和12V输出在室温下的效率图。在这两种情况下，原位SBR二极管的效率分别比肖特基解决方案的效率高1.5％和2.5％。

图3。室温下在17A输出时的12V效率

下表1显示了采用SBR和肖特基作为输出整流器的电源效率。尽管评估电源的输出能够提供比表1所示更高的负载电流，但总的最大DC输出限制为300W。尽管如此，结果表明，与使用普通的肖特基整流器相比，SBR可以将整个系统的效率提高1％以上，从而使电源能够达到80PLUS标准。所有测量均使用标称值为115V的输入电压进行。

表格1。SBR二极管和肖特基整流器的效率

然后将80PLUS电源放置在温度室内，环境温度升至50°C。在输出整流阶段，使用肖特基二极管从空载到满载测量了5V和12V电源轨的效率。

图4。在50摄氏度的环境温度下20A输出时5V的效率

然后将肖特基二极管替换为SBR30A45CT和SBR30A60CT，并重复评估。结果总结在上面的图4和下面的图5中。与前面的情况一样，由于SBR二极管将两个输出的效率提高了约1.5％，因此可以得出相同的结论。

图5。在50摄氏度的环境温度下输出17A电流时的12V效率

保持凉爽

如前所述，当工作温度升高时，肖特基二极管会迅速失去其性能。相反，SBR在较高的温度下具有更高的可靠性。

为了证明这一点，将80PLUS电源再次放置在温度室中，该温度室设置为50°C的环境温度。当电源的输出负载从零变为满负载时，使用K型热耦合器测量肖特基二极管的外壳温度。然后用SBR替换肖特基二极管，并重复该过程。

图6。d50在12V输出上的二极管外壳温度符合摄氏环境温度

上面的图6和下面的图7 显示了从12V和3.3V输出测得的温度曲线。在两个图中，SBR二极管的工作温度均低于肖特基二极管。在前一种情况下，在高于50％负载条件的整个负载范围内，温度差为15°，而在较低的5V输出电压下，满负载条件下的温度差为60％。

图7。50摄氏度环境下5V输出上的二极管外壳温度

在典型的电源应用中，要求整流二极管安全地处理相对较大的反向功率电平。因此，电源设计人员将必须选择能够承受峰值雪崩电涌的可靠二极管。

但是，需要在选择与实现最佳电源效率之间取得平衡。然后，这将要求二极管整流器具有最低的正向电压（V F）和最高的雪崩额定值，通常表示为二极管的P ARM（T J）。

由于SBR和肖特基二极管之间的结构差异（它们的结构中没有金属势垒），与标准的肖特基二极管相比，SBR二极管的雪崩能力明显增强，同时具有如上所述的低正向电压特性。这是使SBR二极管吸引电源设计人员的另一个因素。

下面的表2 比较了 一个SBR二极管的最大峰值脉冲反向浪涌电流（I RMM）和雪崩能量容量E AS与市场上两个等效的肖特基二极管的比较。SBR的反向雪崩能力大大优于两个肖特基二极管，这意味着SBR二极管可抵抗任何大的反向浪涌电流，从而提高可靠性。

表2峰值脉冲反向浪涌电流

关键改进

本文证明了与肖特基二极管相比，SBR的低VF如何将电源效率提高多达2.5％，并将输出级的温度降低多达15°C。

尝试满足符合80PLUS的PSU的要求时，这可能是至关重要的改进。SBR二极管比肖特基二极管具有更高的雪崩额定值，因此改善了整个电源的坚固性。最后，SBR是肖特基二极管的引脚兼容引脚替代品，从而避免了PCB更换的需要。领取嵌入式物联网学习路线