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[導讀]在BUCK降壓電路中,效率這個問題是不可避免要談到的。效率的降低主要是由於損耗的存在,效率=輸出功率÷輸入功率 [%],一般芯片效率都在90%以上。

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在BUCK降壓電路中,效率這個問題是不可避免要談到的。效率的降低主要是由於損耗的存在,效率=輸出功率÷輸入功率 [%],一般芯片效率都在90%以上。在產品應用中用到一塊TI的DC-DC降壓芯片,其中測試到的效率如下:



這其中由於負載電流的不同,尤其是輕載和重載情況下,會產生效率的變化。

從ROMA的官網上,知道同步降壓電路的損耗是由六部分組成的,分別是:Pmos是場效應管導通損耗,Psw是場效應管開關損耗,Pdead_time是死區時間損耗,PGATE是MOSFET的柵極電荷損耗,PCOIL是輸出電感的DCR、直流電阻帶來的傳導損耗,PIC是開關電源芯片自身消化的功率。


根據ROMA對其電源芯片的實測可知,場效應管開關損耗在整個損耗中佔比是最大的,這個是由於在場效應開啓過程存在電壓和電流的重疊區,產生較大的功耗。


場效應管如果在米勒平台停留的實際越長,產生的開關損耗也越大。下圖的MOS管開關過程通過仿真很容易出現:


從仿真可以看出,MOS管的Vds和電流Id在 mile平台處重疊,會產生功率的消耗。 開關頻率越高,這個損耗就會越大的。


對於MOSFET的開關過程,首先考慮器件孤立地,不受任何外部影響。在這些條件下,MOSFET的等效電路可以用下圖所示,該MOS管的柵極是由柵極電阻(Rg)和兩個輸入電容(Cgs和Cgd)組成。利用這個簡單的等效電路,可以得到對階躍電壓信號的輸出電壓響應。電壓VGS是柵極的實際電壓裝置。


利用Matcad寫出Igs和Igd的電流,在上圖的t1階段,沒有達到Vgs(th)電壓的時候,由於Vgs一直增加,所以Vgs/dt增加,Igs電流一直增加。當達到米勒平台電壓的時候,Vgs保持不變,Vgs/dt=0,所以Igs=0。此時VDS在降低,VDS/dt增加,Igd電流開始增加。因此通過數學表達式的簡要分析,是符合仿真過程的。


在知道了MOS管的開關過程,開關過程的損耗表達式如下。降低開關頻率可以有效降低損耗。但是這樣就制約了開關電路小型化的目標。提高開關的上升時間也可以降低損耗,但是這樣會造成開關過程的諧波過多,對EMC不利,因此需要綜合考慮。因此,要想降低開關損耗,必須考慮到開關的過渡時間和開關頻率這兩種因素。


現在很多電源芯片,使用軟開關技術,該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關管導通時起鉗位作用, 並構成瀉放回路, 瀉放電流。電容在反激電壓作用下, 電容被充電, 電壓不能突然增加, 當電壓比較大的時侯, 電流已經為0。

由於MOS管開關損耗受到的制約比較多,所以單獨拿出來討論。場效應管導通損耗比較小,對於同步整流電源芯片,是上下橋的MOS管損耗。是受到MOS管的導通內阻內阻Rdc決定,現在的MOSFET的內阻可以做到幾個毫歐,所以產生損耗很小。計算公式如下:

Pmos=I*I*Rdc*D+ I*I*Rdc*(1-D)

電感線圈的損耗分為直流損耗和交流損耗,直流損耗受電感線圈的直流DCR決定,交流損耗是由電感的磁損和銅損決定,一般交流損耗相對直流損耗比較小,可以忽略。(開關頻率和輸入電壓過高的時候,交流損耗也較大,不能忽略)

Pcoil=I*I*DCR

電源芯片的消耗的電流基本就是損耗,這個參數可以在datasheet中查詢到:

PIC=Vin*I_IC

死區時間損耗Pdead_tine這個主要有開關電源芯片內部控制器決定,一般datasheet是不提供這個參數,可以參考ROMA的公式:


PGATE是MOSFET的柵極電荷損耗,如果是外置MOSFET這個參數會提供。會提供輸入電容,輸出電容,柵源級電荷,柵漏級電荷等等參數。


但是對於電源芯片的內置MOSFET,一般只會提供Rds,關於這些參數需要去芯片的SPICE模型中查找的或者找供應商提供的。下圖是TI一款芯片的datasheet,是內置MOSFET,是沒有電容電荷等參數。


因此ROMA提供的公式由於沒有具體參數,一般是估算。


以上是對BUCK電路的損耗計算一些分析,可以提供參考,公式僅僅是輔助,具體的損耗和效率還要通過實際的測試得到。


本文系21ic論壇網友kk的回憶原創



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