Buck降壓開關(guān)電源的功率損耗計(jì)算分享-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-09-06
采用理想組件(導(dǎo)通狀態(tài)下零壓降和零開關(guān)損耗)時(shí)，理想降壓轉(zhuǎn)換器的效率為100%。而實(shí)際上，功耗始終與每個(gè)功率元件相關(guān)聯(lián)。SMPS中有兩種類型的損耗：直流傳導(dǎo)損耗和交流開關(guān)損耗。
降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗主要來自于晶體管Q1、二極管D1和電感L在傳導(dǎo)電流時(shí)產(chǎn)生的壓降。為了簡(jiǎn)化討論，在下面的傳導(dǎo)損耗計(jì)算中忽略電感電流的交流紋波。
如果MOSFET用作功率晶體管，MOSFET的傳導(dǎo)損耗等于IO2 ? RDS(ON) ? D，其中RDS(ON)是MOSFET Q1的導(dǎo)通電阻。
二極管的傳導(dǎo)功率損耗等于IO ? VD ? (1 – D)，其中VD是二極管D1的正向壓降。電感的傳導(dǎo)損耗等于IO2 ? R DCR，其中R DCR是電感繞組的銅電阻。因此，降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗約為：
例如，12V輸入、3.3V/10AMAX輸出降壓電源可使用以下元件：MOSFET RDS(ON) = 10mΩ，電感RDCR = 2 mΩ，二極管正向電壓VD = 0.5V。因此，滿負(fù)載下的傳導(dǎo)損耗為：
如果只考慮傳導(dǎo)損耗，轉(zhuǎn)換器效率為：
上述分析顯示，續(xù)流二極管的功率損耗為3.62W，遠(yuǎn)高于MOSFET Q1和電感L的傳導(dǎo)損耗。為進(jìn)一步提高效率，ADI公司建議可將二極管D1替換為MOSFET Q2，如圖9所示。該轉(zhuǎn)換器稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器。Q2的柵極需要對(duì)Q1柵極進(jìn)行信號(hào)互補(bǔ)，即Q2僅在Q1關(guān)斷時(shí)導(dǎo)通。
同步降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗為：
圖9 同步降壓轉(zhuǎn)換器及其晶體管柵極信號(hào)
如果10mΩ RDS(ON) MOSFET也用于Q2，同步降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗和效率為：
上面的示例顯示，同步降壓轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器更高效，特別適用于占空比小、二極管D1的傳導(dǎo)時(shí)間長的低輸出電壓應(yīng)用。
除直流傳導(dǎo)損耗外，還有因使用不理想功率元件導(dǎo)致的其他交流/開關(guān)相關(guān)功率損耗：
MOSFET開關(guān)損耗
真實(shí)的場(chǎng)效應(yīng)管需要時(shí)間來導(dǎo)通或關(guān)斷。因此，在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬變過程中存在電壓和電流重疊，從而產(chǎn)生交流開關(guān)損耗。圖10顯示同步降壓轉(zhuǎn)換器中MOSFET Q1的典型開關(guān)波形。
頂部FET Q1的寄生電容CGD的充電和放電及電荷QGD決定大部分Q1開關(guān)時(shí)間和相關(guān)損耗。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，底部FET Q2開關(guān)損耗很小，因?yàn)镼2總是在體二極管傳導(dǎo)后導(dǎo)通，在體二極管傳導(dǎo)前關(guān)斷，而體二極管上的壓降很低。
但是，Q2的體二極管反向恢復(fù)電荷也可能增加頂部FET Q1的開關(guān)損耗，并產(chǎn)生開關(guān)電壓響鈴和EMI噪聲。公式(12)顯示，控制FET Q1開關(guān)損耗與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率fS成正比。精確計(jì)算Q1的能量損耗EON和EOFF并不簡(jiǎn)單，具體可參見MOSFET供應(yīng)商的應(yīng)用筆記。
圖10 降壓轉(zhuǎn)換器中頂部FET Q1的典型開關(guān)波形和損耗
電感鐵損PSW_CORE
真實(shí)的電感也有與開關(guān)頻率相關(guān)的交流損耗。電感交流損耗主要來自磁芯損耗。在高頻SMPS中，磁芯材料可能是鐵粉芯或鐵氧體。一般而言，鐵粉芯微飽和，但鐵損高，而鐵氧體材料劇烈飽和，但鐵損低。
鐵氧體是一種類似陶瓷的鐵磁材料，其晶體結(jié)構(gòu)由氧化鐵與錳或氧化鋅的混合物組成。鐵損的主要原因是磁滯損耗。磁芯或電感制造商通常為電源設(shè)計(jì)人員提供鐵損數(shù)據(jù)，以估計(jì)交流電感損耗。
其他交流相關(guān)損耗
其他交流相關(guān)損耗包括柵極驅(qū)動(dòng)器損耗PSW_GATE(等于VDRV ? QG ? fS)和死區(qū)時(shí)間(頂部FET Q1和底部FET Q2均關(guān)斷時(shí))體二極管傳導(dǎo)損耗(等于(ΔTON + ΔTOFF) ? VD(Q2) ? fS)。
總而言之，開關(guān)相關(guān)損耗包括：
通常，計(jì)算開關(guān)相關(guān)損耗并不簡(jiǎn)單。開關(guān)相關(guān)損耗與開關(guān)頻率fS成正比。在12VIN、3.3VO/10AMAX同步降壓轉(zhuǎn)換器中，200kHz – 500kHz開關(guān)頻率下的交流損耗約導(dǎo)致2%至5%的效率損失。因此，滿負(fù)載下的總效率約為93%，比LR或LDO電源要好得多。可以減少將近10倍的熱量或尺寸。
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