直流傳導(dǎo)損耗
采用理想組件(導(dǎo)通狀態(tài)下零壓降和零開關(guān)損耗)時,理想降壓轉(zhuǎn)換器的效率為100%。而實際上,功耗始終與每個功率元件相關(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)電流時產(chǎn)生的壓降。為了簡化討論,在下面的傳導(dǎo)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(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Q1柵極進(jìn)行信號互補(bǔ),即Q2僅在Q1關(guān)斷時導(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
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)時間長的低輸出電壓應(yīng)用。
交流開關(guān)損耗
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
真實的場效應(yīng)管需要時間來導(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,因為Q2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。精確計算Q1的能量損耗EON和EOFF并不簡單,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)計人員提供鐵損數(shù)據(jù),以估計交流電感損耗。
其他交流相關(guān)損耗
其他交流相關(guān)損耗包括柵極驅(qū)動器損耗PSW_GATE(等于VDRV ? QG ? fS)和死區(qū)時間(頂部FET Q1和底部FET Q2均關(guān)斷時)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,計算開關(guān)相關(guān)損耗并不簡單。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??梢詼p少將近10倍的熱量或尺寸。
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