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DC-DC电路的损耗

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 楼主 | 2021-1-7 19:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 kk的回忆 于 2021-1-12 21:52 编辑

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        在BUCK降压电路中,效率这个问题是不可避免要谈到的。效率的降低主要是由于损耗的存在,效率=输出功率÷输入功率 [%],一般芯片效率都在90%以上。在产品应用中用到一块TI的DC-DC降压芯片,其中测试到的效率如下
VIN(V)
IIN(A)
VOUT(V)
IOUT(A)
Efficiency
6.955
0.372
3.3
0.71
0.905591
6.964
0.719
3.3
1.39
0.916096
6.943
1.079
3.3
2.11
0.929454
6.931
1.457
3.3
2.82
0.921526
这其中由于负载电流的不同,尤其是轻载和重载情况下,会产生效率的变化。从ROMA的官网上,知道同步降压电路的损耗是由六部分组成的,分别是:Pmos是场效应管导通损耗,Psw是场效应管开关损耗,Pdead_time是死区时间损耗,PGATE是MOSFET的栅极电荷损耗,PCOIL是输出电感的DCR、直流电阻带来的传导损耗,PIC是开关电源芯片自身消化的功率。
294775ffda78e9ab53.png
根据ROMA对其电源芯片的实测可知,场效应管开关损耗在整个损耗中占比是最大的,这个是由于在场效应开启过程存在电压和电流的重叠区,产生较大的功耗。
499365ffda79837d2a.png
场效应管如果在米勒平台停留的实际越长,产生的开关损耗也越大。下图的MOS管开关过程通过仿真很容易出现:
846045ffda7a123d62.png
从仿真可以看出,MOS管的Vds和电流Id在mile平台处重叠,会产生功率的消耗。开关频率越高,这个损耗就会越大的。
133735ffda7a8cdad0.png
对于MOSFET的开关过程,首先考虑器件孤立地,不受任何外部影响。在这些条件下,MOSFET的等效电路可以用下图所示,该MOS管的栅极是由栅极电阻(Rg)和两个输入电容(Cgs和Cgd)组成。利用这个简单的等效电路,可以得到对阶跃电压信号的输出电压响应。电压VGS是栅极的实际电压装置。
874275ffda7b141a62.png
利用Matcad写出Igs和Igd的电流,在上图的t1阶段,没有达到Vgs(th)电压的时候,由于Vgs一直增加,所以Vgs/dt增加,Igs电流一直增加。当达到米勒平台电压的时候,Vgs保持不变,Vgs/dt=0,所以Igs=0。此时VDS在降低,VDS/dt增加,Igd电流开始增加。因此通过数学表达式的简要分析,是符合仿真过程的。
196465ffda7b81e6de.png
在知道了MOS管的开关过程,开关过程的损耗表达式如下。降低开关频率可以有效降低损耗。但是这样就制约了开关电路小型化的目标。提高开关的上升时间也可以降低损耗,但是这样会造成开关过程的谐波过多,对EMC不利,因此需要综合考虑。因此,要想降低开关损耗,必须考虑到开关的过渡时间和开关频率这两种因素。
445805ffda7bfb467e.png
现在很多电源芯片,使用软开关技术,该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。
由于MOS管开关损耗受到的制约比较多,所以单独拿出来讨论。场效应管导通损耗比较小,对于同步整流电源芯片,是上下桥的MOS管损耗。是受到MOS管的导通内阻内阻Rdc决定,现在的MOSFET的内阻可以做到几个毫欧,所以产生损耗很小。计算公式如下:
Pmos=I*I*Rdc*D+ I*I*Rdc*(1-D)
电感线圈的损耗分为直流损耗和交流损耗,直流损耗受电感线圈的直流DCR决定,交流损耗是由电感的磁损和铜损决定,一般交流损耗相对直流损耗比较小,可以忽略。(开关频率和输入电压过高的时候,交流损耗也较大,不能忽略)
Pcoil=I*I*DCR
电源芯片的消耗的电流基本就是损耗,这个参数可以在datasheet中查询到,PIC=Vin*I_IC
死区时间损耗Pdead_tine这个主要有开关电源芯片内部控制器决定,一般datasheet是不提供这个参数,可以参考ROMA的公式,
649635ffda7c9d98ea.png
PGATE是MOSFET的栅极电荷损耗,如果是外置MOSFET这个参数会提供。会提供输入电容,输出电容,栅源级电荷,栅漏级电荷等等参数。
655735ffda7cfa0f90.png
但是对于电源芯片的内置MOSFET,一般只会提供Rds,关于这些参数需要去芯片的SPICE模型中查找的或者找供应商提供的。下图是TI一款芯片的datasheet,是内置MOSFET,是没有电容电荷等参数。
40975ffda7d6e03b8.png
因此ROMA提供的公式由于没有具体参数,一般是估算。
982235ffda7ddbd3ff.png
以上是对BUCK电路的损耗计算一些分析,可以提供参考,公式仅仅是辅助,具体的损耗和效率还要通过实际的测试得到。

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21小跑堂 打赏了 10.00 元 2021-01-15
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

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 楼主 | 2021-1-12 17:45 | 显示全部楼层
自己写的自己沙发

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king5555 2021-2-4 22:48 回复TA
挺,同宗的人。 
| 2021-1-18 19:02 | 显示全部楼层
厉害

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| 2021-1-20 12:46 | 显示全部楼层
有料!   棒棒的

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| 2021-2-4 11:19 | 显示全部楼层
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