Buck降壓開關電源的功率損耗計算分享-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-09-06
采用理想組件(導通狀態下零壓降和零開關損耗)時，理想降壓轉換器的效率為100%。而實際上，功耗始終與每個功率元件相關聯。SMPS中有兩種類型的損耗：直流傳導損耗和交流開關損耗。
降壓轉換器的傳導損耗主要來自于晶體管Q1、二極管D1和電感L在傳導電流時產生的壓降。為了簡化討論，在下面的傳導損耗計算中忽略電感電流的交流紋波。
如果MOSFET用作功率晶體管，MOSFET的傳導損耗等于IO2 ? RDS(ON) ? D，其中RDS(ON)是MOSFET Q1的導通電阻。
二極管的傳導功率損耗等于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，降壓轉換器的傳導損耗約為：
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，滿負載下的傳導損耗為：
如果只考慮傳導損耗，轉換器效率為：
上述分析顯示，續流二極管的功率損耗為3.62W，遠高于MOSFET Q1和電感L的傳導損耗。為進一步提高效率，ADI公司建議可將二極管D1替換為MOSFET Q2，如圖9所示。該轉換器稱為同步降壓轉換器。Q2的柵極需要對Q1柵極進行信號互補，即Q2僅在Q1關斷時導通。
同步降壓轉換器的傳導損耗為：
圖9 同步降壓轉換器及其晶體管柵極信號
如果10mΩ RDS(ON) MOSFET也用于Q2，同步降壓轉換器的傳導損耗和效率為：
上面的示例顯示，同步降壓轉換器比傳統降壓轉換器更高效，特別適用于占空比小、二極管D1的傳導時間長的低輸出電壓應用。
除直流傳導損耗外，還有因使用不理想功率元件導致的其他交流/開關相關功率損耗：
MOSFET開關損耗
真實的場效應管需要時間來導通或關斷。因此，在導通和關斷瞬變過程中存在電壓和電流重疊，從而產生交流開關損耗。圖10顯示同步降壓轉換器中MOSFET Q1的典型開關波形。
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開關時間和相關損耗。在同步降壓轉換器中，底部FET Q2開關損耗很小，因為Q2總是在體二極管傳導后導通，在體二極管傳導前關斷，而體二極管上的壓降很低。
但是，Q2的體二極管反向恢復電荷也可能增加頂部FET Q1的開關損耗，并產生開關電壓響鈴和EMI噪聲。公式(12)顯示，控制FET Q1開關損耗與轉換器開關頻率fS成正比。精確計算Q1的能量損耗EON和EOFF并不簡單，具體可參見MOSFET供應商的應用筆記。
圖10 降壓轉換器中頂部FET Q1的典型開關波形和損耗
電感鐵損PSW_CORE
真實的電感也有與開關頻率相關的交流損耗。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，其晶體結構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計人員提供鐵損數據，以估計交流電感損耗。
其他交流相關損耗
其他交流相關損耗包括柵極驅動器損耗PSW_GATE(等于VDRV ? QG ? fS)和死區時間(頂部FET Q1和底部FET Q2均關斷時)體二極管傳導損耗(等于(ΔTON + ΔTOFF) ? VD(Q2) ? fS)。
總而言之，開關相關損耗包括：
通常，計算開關相關損耗并不簡單。開關相關損耗與開關頻率fS成正比。在12VIN、3.3VO/10AMAX同步降壓轉換器中，200kHz – 500kHz開關頻率下的交流損耗約導致2%至5%的效率損失。因此，滿負載下的總效率約為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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