如何更節能減碳的使用轉換器?

 隨著環保意識的提升，使用高效率低污染的產品是現在的趨勢，因此電子技術需要不斷追求高轉換效率，但使用每個電子產品中一定會造成能量損耗。只要能將多餘能量耗損降到最低就能提升效率，所以如何實現高轉換效率是電源設計的重要方向。

 接下來將介紹各種能量損失的原因，以及有效提升轉換器效率的方式，還將討論與分析減少靜態電流的帶來的好處。

 

1. 能量損耗方式

  不論當正常操作模式時或待機模式時，電源轉換器能量會透過各種路徑流失，造成電路的效率無法達到百分之百。因此，如何減少能量損失來提升效率卻是一大難題。首先，討論電源轉換器常見發生耗損的部位，然後分析如何減少耗損。

  圖 1為一個基本的降壓轉換器電路，以降壓轉換器為例介紹電路中的主要損耗來源，其中包含功率電晶體所造成的切換損耗、電感所造成的鐵損、電容的等效串聯電阻以及印刷電路板的線路佈局產生的損耗。以下列出常見損耗來源。

(1) 功率電晶體

流經MOSFET的汲極與源極之間導通電阻的消耗功率佔了電源轉換器絕大部分的損失，導通電阻的消耗功率的公式為:

其中D為工作週期、R_ds(on)為汲極到源極的導通電阻、i_d為汲極電流。

由式(1)可得知導通電阻越小，則消耗功率越低。

另外導通電阻與MOSFET的面積有關，選用面積較大的MOSFET也能有效地降低導通電阻。

MOSFET的功率消耗也受到操作頻率影響，為了追求更好的暫態響應，大多數電源轉換器會選用高頻開關，但是切換頻率越高對切換耗損較為嚴重，如下式所示:

其中f_sw為MOSFET切換頻率、E_on為導通損耗、E_off為關斷損耗。

最後對於功率電晶體而言，常見功率耗損的方程式為式(1)加上式(2)

(2) 電感

電感在轉換器中具有儲能及濾波的功能，當能量轉換過程中，電感的鐵芯損失內包含與交流電成分有關的磁滯損及與頻率有關的渦流損，其頻率越高渦流損越大。鐵損大小跟電感的鐵芯形狀、材質與結構有關，因此必須根據需求去挑選合適的電感種類。

(3) 電容的等效串聯電阻

理想的電容器不會發生任何能量損失的問題，但是製作電容的材料仍有以mΩ為單位的電阻值。當有大電流通過時會造成不小的功率損耗，此外透過電容並聯可減少等效串聯電阻。

(4) 印刷電路板線路佈局

印刷電路板線路的銅箔電阻，其電阻值約mΩ為單位。對於大電流路徑而言，銅箔線路兩端有微小的阻值會造成訊號衰減。因此，需要對銅箔的電阻值進行評估。銅箔單位面積的電阻公式如下:

其中l為導體長度[mm]、w為導體寬度[mm]、t為銅箔厚度[µm]、ρ為銅箔的電阻率，其公式為:

其中T為溫度[°C]。從式(4)能推導銅箔單位面積的電阻。舉例來說l與w皆以1(mm)計算t則為50(um)。

表1為銅箔單位面積的電阻。

表1. 銅箔單位面積的電阻

溫度 (°C)	-25	0	25	50	75
電阻值 (mΩ)	0.27	0.31	0.344	0.377	0.41

 

1.1 如何減少轉換器損耗

    選用正確的功率開關元件及被動元件很重要，若要提高轉換效率必須減少內部電阻，例如: MOSFET選用碳化矽(SiC)製程元件，它幾乎無開關損耗且具耐高溫可能提供更高的效率；可選用面積更大的MOSFET來達到降低導通阻抗而降低能量損失；並聯數個電容來降低等效串聯電阻；減少大電流線路長度與增加大電流線路寬度來減少銅箔電阻。

 

2. 減少靜態電流的好處

    電子產品處於長時間待機或輕載的狀態時，多數產品仍要依賴電池供電，例如待機模式的手機、汽車熄火狀態時的電池仍有微量的持續供電。

當系統無外部輸入訊號時，轉換器在穩態狀態所消耗電流，稱為靜態電流。減少靜態電流能延長電池的壽命且能提升輕載及待機狀態下的效率，因此減少靜態電流對於能量損失來說是非常重要的。

2.1 如何減少靜態電流

    減少靜態電流是一項困難的議題，在設計階段必須探討每個接腳在待機模式下的導通阻抗、使用傳輸閘當開關電路，它具有極低的導通電阻及極高的截止電阻、在待機模式時降低開關的切換頻率、選用低靜態電流的晶片、以及提供低電壓可喚醒或關閉電源轉換器功能，例如:3.3伏特輸入電壓能讓電路關斷。以上方式均能有效降低靜態電流。

 

3. 結論

全球對於低碳生活環境概念正快速成形，必須想辦法設計出更節能效率更高的電子產品，尤其電子產品在輕載及待機狀態下有更低的靜態電流以延長電池壽命達到節能環保的效果。欲設計出更節能減碳的產品可以從元件的選用改變，除了元件的選用，電路設計也能有效的減少不必要的元件數量及線路損失。

 

 

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