降壓轉(zhuǎn)換器效率的分析及功率損耗計(jì)算

同步降壓電路廣泛用于為系統(tǒng)芯片提供低電壓和大電流的非隔離電源。實(shí)現(xiàn)同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗并提高效率對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來說非常重要。應(yīng)用筆記介紹了降壓轉(zhuǎn)換器效率的分析，并實(shí)現(xiàn)了同步降壓轉(zhuǎn)換器的主要功率元件損耗。

降壓轉(zhuǎn)換器功率損耗分析

實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器中的功率損耗對(duì)于轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)優(yōu)化很重要。圖 1 顯示了一般的單相同步降壓轉(zhuǎn)換器電路。同步降壓轉(zhuǎn)換器電路中的主要功率損耗如下所列：

A：功率半導(dǎo)體損耗

B：電感損耗

C ： 司機(jī)損失

D：PCB走線損耗

圖 1. 同步降壓轉(zhuǎn)換器

功率損耗計(jì)算

先進(jìn)的微處理器對(duì)低功耗和高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的需求很大。該應(yīng)用筆記介紹并提供了如何計(jì)算典型同步降壓轉(zhuǎn)換器中發(fā)生在以下組件中的大部分功率損耗，基于轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 固定開關(guān)頻率、固定輸入電壓和固定輸出電壓。

A：功率半導(dǎo)體損耗：

HMOS （High-Side MOSFET） 概括為包括：開關(guān)和導(dǎo)通損耗。

LMOS （Low-Side MOSFET） 概括為包括：導(dǎo)通、死區(qū)時(shí)間和反向恢復(fù)電荷損失。

HMOS 開啟損耗：

圖 2. HMOS 驅(qū)動(dòng)器開啟

圖 3. HMOS 導(dǎo)通損耗區(qū)域

HMOS導(dǎo)通損耗：

高邊 MOSFET 的傳導(dǎo)損耗由 MOSFET 的導(dǎo)通電阻和晶體管 RMS 電流決定。

圖 4. HMOS 導(dǎo)通

圖 5. HMOS 導(dǎo)通周期

LMOS 導(dǎo)通損耗：

圖 6. LMOS 導(dǎo)通

圖 7. LMOS 導(dǎo)通周期

LMOS 死區(qū)時(shí)間體二極管損耗：

死區(qū)時(shí)間損耗是由 LMOS 體二極管在死區(qū)時(shí)間期間導(dǎo)通引起的。

圖 8. LMOS 體二極管導(dǎo)通

：

圖 9. LMOS 體二極管導(dǎo)通周期

LMOS反向恢復(fù)電荷損失：

圖 10. LMOS 體二極管反向恢復(fù)周期

B ： 電感器直流和交流損耗

電感直流損耗：

圖 11. 通過電感路徑的電流

圖 12. 電感電流路徑周期

電感磁芯損耗：

電感磁芯損耗主要由磁芯材料中的交變磁場(chǎng)引起。損耗是工作頻率和總磁通量擺動(dòng)的函數(shù)。磁芯損耗可能因一種磁性材料而異。

圖 13. 電感紋波電流

圖 14. 鐵損曲線

計(jì)算和/或測(cè)量的磁芯損耗通常由電感器供應(yīng)商直接提供。如果沒有，可以使用以下公式計(jì)算鐵損：

PL 是功率損耗 （mW），

Fsw ： 工作頻率

B ： 以高斯為單位的峰值通量密度

V e ： 有效核心體積

C、X 和 Y 的具體值是每種材料的鐵損參數(shù)

C：柵極驅(qū)動(dòng)器損耗：

柵極驅(qū)動(dòng)器損耗由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器直接給出，用于充電/放電總 HMOS 和 LMOS Qg。柵極驅(qū)動(dòng)器損耗取決于 MOSFET 總柵極電荷、驅(qū)動(dòng)器電壓和 Fsw。

圖 15. 驅(qū)動(dòng)器開啟和關(guān)閉路徑

圖 16. MOSFET 驅(qū)動(dòng)器開啟

圖 17. MOSFET 驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉

D：PCB損耗：

圖 18 可以詳細(xì)說明為圖 19 和圖 20，其中 R tr1 ~R tr7具有 loop1（HMOS 導(dǎo)通）和 loop2（LMOS 導(dǎo)通）。

圖 18. PCB 走線圖

圖 19. PCB loop1 跡線

圖 20. PCB loop2 跡線

功率損耗測(cè)量和計(jì)算比較

盡管降壓轉(zhuǎn)換器功率損耗計(jì)算公式已得到很好的介紹和記錄。為了檢查這些功率損耗公式的準(zhǔn)確性，表 1 顯示了典型的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用參數(shù)，圖 21 顯示了測(cè)量和計(jì)算之間的效率比較。

圖 21. 效率比較的測(cè)量和計(jì)算

圖 22 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵元件損耗，包括 HMOS、LMOS、電感器、驅(qū)動(dòng)器和 PCB 走線損耗。讀者可以查看每個(gè)系統(tǒng)加載造成的主要損失。

圖 22. 降壓轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵元件損耗

圖 23 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器中的詳細(xì)組件損耗，并在曲線中說明了損耗與 Iout 的關(guān)系。

HMOS：P HSW（開關(guān)損耗）和 P HCOD（傳導(dǎo)損耗）

LMOS ：P LCOD（傳導(dǎo)損耗）、P L_DIODE（死區(qū)時(shí)間體二極管損耗）和 P RR（反向恢復(fù)損耗）

電感器：PL（電感器直流和鐵損）

驅(qū)動(dòng)器：P DRV（柵極驅(qū)動(dòng)器電荷損失）

PCB：P PCB（PCB走線損耗）

圖 23. 降壓轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)功率損耗

結(jié)論

本應(yīng)用文檔分析了同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗，并給出了功率損耗各部分的詳細(xì)計(jì)算。損耗計(jì)算還與實(shí)際降壓轉(zhuǎn)換器測(cè)量進(jìn)行比較，并提供關(guān)鍵元件損耗數(shù)據(jù)，以考慮如何提高降壓轉(zhuǎn)換器效率，以考慮元件和 PCB 平面。