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異步降壓轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通開關(guān)損耗

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-03-10 09:26 ? 次閱讀

圖1所示為基于MAX1744/5控制器IC的簡化降壓轉(zhuǎn)換器,具有異步整流功能。由于二極管的關(guān)斷特性,主開關(guān)(Q1)的導(dǎo)通開關(guān)損耗取決于開關(guān)頻率、輸入環(huán)路的走線電感(由C1、Q1和D1組成)、主開關(guān)MOSFET的柵極電荷(米勒電容)以及控制IC的驅(qū)動能力。本應(yīng)用筆記將詳細分析導(dǎo)通開關(guān)損耗以及選擇開關(guān)P溝道MOSFET的標準。

poYBAGQKh0SAJRQqAAAXTPXLKZs314.gif


圖1.基于MAX1744控制IC的典型異步降壓轉(zhuǎn)換器

圖2顯示了Q1的典型波形。在Q1導(dǎo)通期間,柵極電壓Vg,先充電。一旦達到閾值電壓,Q1導(dǎo)通,Q1的漏源電壓Vds降低。同時,Q1和Id的漏極電流增加。在此時間間隔內(nèi)發(fā)生導(dǎo)通交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗。根據(jù)走線電感,考慮三種情況,LTR:

pYYBAGQKh0WAVYTGAAAUmmawCIQ241.gif


圖2.Q1和二極管電壓VD的典型開關(guān)波形。

情況一:走線電感相對較小。漏極電流達到輸出電流Io,在漏源電壓達到零之前。

情況二:走線電感具有臨界值,當漏極至源極電壓為零時,漏極電流同時達到零。

情況三:走線電感相對較大,因此漏極至源極電壓變?yōu)榱愫舐O電流達不到輸出電流。

在上述三種情況下,情況I的開關(guān)損耗最高,而情況III的開關(guān)損耗最低,如圖2所示。案例 I 在 Id 和 Vds 之間產(chǎn)生最高的重疊。在我們開始分析之前,Q1的米勒電容放電所需的時間由下式給出:

pYYBAGQKkNSAWlH2AAAKcJeNd20681.png

其中 Qg是米勒電荷,Rg是Q1、R的柵極電阻d是 MOSFET 驅(qū)動器的導(dǎo)通電阻,Vd是驅(qū)動器和V的電源電壓T是Q1的閾值電壓。

圖3給出了導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的等效電路,其中CGD是米勒電容,壓控電壓源表示漏極對源極電壓的放電,VDS.

pYYBAGQKkMiAXOK3AAAYjK29ff0846.png


圖3.用于導(dǎo)通開關(guān)轉(zhuǎn)換的等效電路。

漏極電流的時間段,Id,充電至輸出電流,Io,由下式給出,

poYBAGQKh0iAASDuAAAD1875PiQ005.gif

從等式(1)和等式(2),我們有,因為給定我

pYYBAGQKh0mAWkKTAAAFJZuK9Ys526.gif

o和 V在,有幾種方法可以使 ΔT1 ≥ ΔT。首先,選擇米勒電荷較少、柵極電阻更小、柵極閾值電壓更小的Q1。第二,提高MOSFET驅(qū)動器的電源電壓,第三,增加走線電感。不鼓勵第三種選擇,因為在導(dǎo)通開關(guān)轉(zhuǎn)換后可能會出現(xiàn)振蕩。這是因為在開關(guān)轉(zhuǎn)換完成后,存儲在走線電感中的能量將隨著二極管的結(jié)電容振蕩以耗散能量。因此,具有較高電源電壓和較低導(dǎo)通電阻的MOSFET驅(qū)動器將最大限度地降低導(dǎo)通傳導(dǎo)損耗。另一方面,一旦布局和驅(qū)動器固定,選擇具有較少米勒電荷和較低閾值電壓的MOSFET將最大限度地減少導(dǎo)通交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗。

需要指出的是,導(dǎo)通開關(guān)損耗包括兩部分:一部分是上述導(dǎo)通交叉導(dǎo)通損耗,另一部分是Q1輸出電容的放電損耗。后者是固定的損耗量,與驅(qū)動能力和布局參數(shù)無關(guān)。利用MAX1744評估板獲得的參數(shù)得到ΔT的比值1/ΔT 等于 0.4,在案例 I 類別中,LTR假設(shè)為 15nH,Qg= 10nC, Rg= 2Ω 和 VT= 3V。如果我們從NDS1切換Q9407(Qg= 電源編號,Rg= 電源編號),Si9407,一個具有 Q 的 FETg= 3nC 和 Rg= 1Ω,比值ΔT1/ΔT 等于 0.77。圖3顯示了在同一評估板上使用NDS9407和Si9407的效率比較。從圖2中可以明顯看出,在所有負載條件下,效率都提高了約1%。如果 Rd減半,ΔT1/ΔT 等于 1.03,就開關(guān)損耗而言,這是首選。對于MAX1744常見的高輸入電壓應(yīng)用(輸入電壓>提供一個數(shù)字),導(dǎo)通交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗比Q1輸出電容的放電損耗更明顯。

chaijie_default.png


圖 4a.12V輸入和3.3V輸出時的效率比較。

chaijie_default.png


圖 4b.12V輸入和5V輸出時的效率比較。

審核編輯:郭婷

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