使用基于Microsoft® Office® Excel®的损耗计算器对同步降压转换器进行效率分析

Posted 2021-04-28 张飞实战电子

 

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简介

在设计开关电源时，总是需要在效率和成本之间作出权衡，同步降压转换器也不例外。

 

当今市场上存在着大量各式各样的分立元件，为设计人员提供了近乎无限多的解决方案。这一点再加上紧密的时间表和预算，增加了以快速精确的方式预测系统性能的需求。理想情况下，这些预测需要在构造电路之前开始，以减少提供优化解决方案所需的设计重复次数。作为一个优化解决方案的一部分，设计人员必须验证设计是否满足效率和成本要求，且不超出损耗元件的温度限制。

 

本应用笔记的目的是为同步降压转换器的设计人员提供一种快速精确的方式来计算系统功率损耗，以及系统的总体效率。典型同步降压转换器（图 1）中的大部分功率损耗出现在以下元件中：

•  上桥臂 MOSFET

•  下桥臂 MOSFET

•  电感

•  MOSFET 驱动器

上桥臂 MOSFET 损耗

任何 MOSFET  中的总功率损耗可以合计为传导损耗和

开关损耗之和。在低占空比下，转换器开关损耗将在上桥臂 MOSFET占主导地位。降压转换器的占空比可描

述为：

当占空比很低时，上桥臂开关只有在周期的一个很小百分比内开启。上桥臂MOSFET 的漏极连接至VIN，而源极连接至相位节点，如图1所示。当上桥臂开始开启时，下桥臂MOSFET 的体二极管会将相位节点箝位为低于地电压。由于存在这种很大的漏 - 源电压差，且上桥臂MOSFET也以开关方式传输转换器的完全负载电流，所以会发生可产生损耗的开关事件。

 

上桥臂传导损耗

上桥臂MOSFET 中的传导损耗可描述为：

请注意，IDS(RMS) 项在该算式中进行了平方。因此，随着负载电流的上升和占空比的升高，传导损耗可能会超过开关损耗。

 

附录 C：“额外的公式”给出了计算 RMS 漏 - 源电流和电感纹波电流的公式。由于RDS(ON) 取决于器件的结温，而损耗会使结温升高，所以需要进行迭代计算。这些迭代必须执行到器件的结温稳定（通常到< 1%）为止。

 

上桥臂开关损耗

图2 给出了上桥臂MOSFET 中的开关损耗的图形。请注意，它们是理想波形，并假定栅极电流是恒定的。

在时间段t1开始时，当MOSFET驱动器开始向MOSFET的栅极提供电流时，VGS（MOSFET 的栅- 源电压）开始上升。在此期间，将对输入电容CISS（CGS + CGD）进行充电，而VDS（MOSFET 的漏- 源电压）保持恒定。图3给出了MOSFET 寄生电容的图示。此时不存在漏- 源电流。因此，在此期间没有开关损耗。

在时间段 t2 开始时，VGS 电压超出栅 - 源阈值电压（VGS(TH)）。电流开始从漏极流向源极，同时CISS 继续充电。该电流将线性上升，直到IDS 等于电感电流IL 为止。由于MOSFET 上存在等于VIN 的电压降，并且电流IDS 流过器件，所以此期间存在显著的开关损耗。在时间段t3 期间，IDS 电流保持恒定，VDS 电压开始下降。虽然漏- 源电压在下降，但几乎所有的栅极电流都用于对CGD 进行充电。由于几乎没有栅极电流用于对CGS充电，所以栅- 源电压在一个称为“开关点”电压（VSP）的电压下保持相对平坦。该区域通常称为米勒平坦区（Miller Plateau）。在此时间段期间，类似于t2，也存在漏- 源电压降，并且有显著电流流过器件。因此，t3 是开关周期会产生损耗的一个时间段。

 

在超出时间段t3 时，MOSFET 通道会增强，最高至VGS达到其最大值的电压点。开关损耗已经停止，传导损耗开始出现，直到上桥臂 MOSFET  关闭为止。关闭事件的情形是非常类似的，以开启事件的相反形式发生。

 

上桥臂MOSFET开关周期期间的功率损耗可以描述为：

从低电平到高电平和从高电平到低电平的开关时间可以使用公式3 和公式 4 计算：

QG(SW) 参数可以使用MOSFET 数据手册中提供的VGS—QG 曲线特性图确定（见图2）。它等于将VGS 从VGS(TH)升至米勒平坦区末尾所需的电荷。如果数据手册列出了QG(TH) 参数，则还可以使用公式5确定QG(SW) ：

公式6 和公式 7 描述了每次电平跳变的驱动器电流：

 

其他上桥臂 MOSFET 开关损耗

虽然传导和开关损耗占据了绝大部分的上桥臂MOSFET

功率损耗，但开关周期中还存在其他一些会产生少量损耗的方面。其中一个损耗方面是由于对MOSFET 栅极充电产生的功率损耗，可表示为：

 

请注意，QG(TOTAL)会根据VGS而变化，所以需要确保从数据手册中选择对应于 MOSFET  驱动器栅极驱动电压（VDD）的值。这些损耗将分布在栅极驱动路径中的所有电阻上，包括MOSFET 驱动器上拉或下拉电阻（取决于对哪个边沿进行计算）、串联阻尼电阻（RDAMP）和MOSFET 的栅极电阻（RG）。

 

同步降压转换器中的另一个损耗方面是下桥臂MOSFET体二极管的反向恢复损耗。请注意，该功率损耗将出现在上桥臂 MOSFET中，因为必须恢复下桥臂体二极管才能开启该器件。MOSFET数据手册中给出了恢复体二极管所需的电荷，在二极管特性下，标记为QRR。这些损耗可以描述为：

最后，在每个开关周期期间，必须对下桥臂和上桥臂MOSFET 的输出电容COSS （CGD + CDS）进行充电。这些损耗可以通过以下公式得到近似值：

 

下桥臂 MOSFET 损耗

回顾一下图1，可以看到下桥臂MOSFET 漏极连接至相

位节点，源极则接地。当上桥臂器件关闭时，在下桥臂MOSFET 开启之前，下桥臂MOSFET 中的体二极管会开始传导，因为电流必须继续流过电感。由于下桥臂器件的源极接地，所以为了进行传导，相位节点必须降至低于地电压，电压差等于体二极管的正向电压降。因此，当下桥臂开关开启时，其上只有一个等于体二极管正向电压降的电压。这会导致一个“软”开关事件，产生的损耗在本应用笔记中可以忽略不计。

 

与上桥臂MOSFET 一样，下桥臂MOSFET 的损耗也在很大程度上取决于占空比和RMS 电流。传导损耗（包括在器件开启时从漏极到源极的损耗，以及在两个MOSFET均关闭时从源极到漏极通过体二极管的损耗）在下桥臂应用中完全占主导地位。

 

 

下桥臂传导损耗

类似于上桥臂器件中的传导损耗，下桥臂MOSFET中的传导损耗可以使用以下公式计算：

 

由于同步降压转换器中的占空比往往很低，所以下桥臂MOSFET 中的漏- 源RMS 电流会相当高。在高负载电流下，下桥臂器件中的传导损耗是降压转换器中的主要损耗。与上桥臂MOSFET 计算一样，为了提供精确的结果，下桥臂器件中的传导损耗也需要迭代计算。

 

 如前面所述，当同步降压转换器中的两个开关均关闭时，下桥臂MOSFET 的体二极管将开启。在此期间（称为死区（Dead Time，DT）），体二极管中将出现传导损耗。这些损耗可以描述为：

请注意，该公式中的 DT 包含上升沿和下降沿之和。在低负载电流下，通常二极管传导损耗大于等于下桥臂MOSFET 中导通时间内的传导损耗。

 

 

下桥臂 MOSFET 栅极电荷损耗

下桥臂MOSFET功率损耗的另一个方面（虽然损耗很小）是对栅极充电产生的功率损耗。该损耗是采用用于上桥臂器件的相同公式计算（见公式 8）。

 

 

电感损耗

在以高负载电流工作的同步降压转换器中，电感线圈的等效串联电阻会对系统效率产生显著影响。这种影响可以描述为：

   

    

请注意，该功率损耗并不取决于占空比，因为电感总是进行传导。在优化同步降压转换器时，电感选择非常关键，因为当负载电流很高时，电感中的功率损耗与MOSFET中的损耗不相上下。

 

本应用笔记不讨论磁芯损耗，因为计算会变得很复杂。与电感的传导损耗相比时，这些损耗通常可以忽略不计。

 

 

用于同步降压转换器的基于MICROSOFT OFFICE EXCEL的损耗计算器

 

虽然对降压转换器中损耗的计算公式进行了详尽的说明，并且这些公式简单明了，但手工完成每项计算也会非常耗费时间。执行多个负载范围、电压和器件的计算时，尤其如此。为了帮助同步降压转换器的系统设计人员，Microchip 网站上现在提供了基于Microsoft Office Excel 的损耗计算器。该计算器允许设计人员存储大量的MOSFET、电感和MOSFET 驱动器来进行计算。它也可以计算从0A 至设计人员的最大负载电流之间的功率损耗和效率，用户可以定义步长。该计算器的输出将提供一张列出系统中每个损耗值的表，以及系统效率和两个MOSFET 的裸片温度。最后会生成一个效率图，让用户了解系统在某个负载电流范围内的性能。

为了说明该计算器的有效性，将通过损耗计算器使用表1中的参数计算同步降压转换器的损耗和总体效率。表2 列出了这些公式的结果。

使用本应用笔记中的公式进行手工计算可以得到表2 所示的相同值。图4 是一个饼图，其中显示了本应用笔记中说明的每个损耗方面占系统总损耗的百分比。请注意，上桥臂 MOSFET 开关损耗和下桥臂MOSFET 传导损耗占系统中损耗的~65%。该图说明了，特别是对于该系统，开关损耗在上桥臂中占主导地位，传导损耗在下桥臂中占主导地位。此外请注意，上桥臂MOSFET 是该系统中损耗最大的元件，其次是下桥臂MOSFET，然后是电感。

结论

为了说明损耗计算器的精确性，使用表1 所示参数构造了一个电路。系统效率使用自动化测试装置来测量。测试装置获取输入电压和电流测量数据，以及输出电压和电流测量数据，以提供从 1A 至20A 的效率曲线（步长为1A）。测量之间留有足够的停留时间，以使MOSFET的裸片温度可以稳定下来。图5 显示了测量结果与计算结果的比较。在该图中，测量效率曲线和计算效率曲线的形状彼此良好吻合，但它们之间存在细微的偏差。该偏差通常源于三个方面：

•  电路板设计

•  各种可以忽略不计的损耗

•  测量误差 

在设计印制电路板时，元件的位置和它们之间的互连会对系统操作和效率产生显著影响。当开关频率和负载电流上升时尤其如此。电路板上的铜走线会增加系统中的寄生电感和电容，产生往往具有挑战性且需要耗费时间来计算的损耗。元件封装是另一个会在系统中增加寄生现象的方面。此外，功率元件彼此接近会导致热效应，增加功率损耗。其中一个示例就是一对靠近电感的高温MOSFET 会使电感温度上升，使其ESR 升高，产生更多的功率损耗。本应用笔记中未考虑这些额外的损耗，它们是该系统的计算效率和测量效率之间差异的主要原因。

 

如上文所述，本应用笔记中假定下桥臂MOSFET 中的开关损耗和电感中的磁芯损耗可以忽略不计。其他方面的功率损耗（虽然相对于本应用笔记中讨论的损耗来说极小）包括系统的输入和输出电容中的损耗，以及电感在温度上升时的额外功率损耗。需要特别注意的是计算电感损耗时不使用迭代计算，所以损耗可能会随温度上升而增加。在加总所有这些很小的损耗方面之后，可能产生显著的系统级功耗损耗。

 

测量精度也会对计算结果产生影响。用于操作和测量系统的所有电源、万用表、电子负载和分流电阻都会具有少量的误差，尤其是需要使用长引线连接电路板时。虽然计算值和测量值之间存在细微的差异，但是效率曲线对于设计人员来说仍然非常有用。使用这些曲线，可以快速、高效地对系统进行更改，以优化解决方案。

 

 

【本文出自Microchip官网】

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