上期回顧:以動制靜?——?優(yōu)化BUCK輸出動態(tài)
導(dǎo)言
在DCDC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計過程中,我們常常會需要知道轉(zhuǎn)換電路在某個特定工作狀態(tài)時功率的損耗。
比如通過待機狀態(tài)的損耗來確定電路對待機時長的影響,通過穩(wěn)態(tài)情況的損耗來確定設(shè)備溫升情況,以及大電流情況下的損耗來確定電路的極限工作能力。
而弄清楚轉(zhuǎn)換電路中損耗的來源以及如何去計算,便成了我們在優(yōu)化功耗設(shè)計時不可或缺的內(nèi)容。
本期內(nèi)容 ? ? ? ? ? ? ? ? ?
今天我們將通過對Buck電路中損耗的分析和計算,帶大家初步了解DCDC電路中的損耗是如何產(chǎn)生的,以及如何針對不同工作狀態(tài)去減小電路的損耗。
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同步整流Buck電路
Buck電路通常由輸入電容、開關(guān)管、續(xù)流管、電感、輸出電容以及反饋控制電路組成,而續(xù)流管又分為被動的續(xù)流二極管和主動的同步整流開關(guān)管,這兩種情況對于損耗的影響是不同的。
在如圖所示的同步整流Buck電路工作過程中,N MOSFET Q1持續(xù)地開通和關(guān)斷,電源和電容提供的輸入電流斷續(xù)流過Q1,在Q1關(guān)斷期間,由于電感電流不能突變,所以需要打開N MOSFET Q2為其主動續(xù)流維持電感輸出電流。
圖1:同步整流Buck電路
因為MOSFET 存在導(dǎo)通電阻,在導(dǎo)通階段流過電流會產(chǎn)生損耗,稱之為導(dǎo)通損耗,計算時由于上下管交替導(dǎo)通以及各自導(dǎo)通電阻的差異,需要分別計算其導(dǎo)通損耗。
類似的,電流流經(jīng)電感L 時也會由于電感的直流導(dǎo)通電阻而產(chǎn)生導(dǎo)通損耗,在電感電流紋波很小可以忽略的情況下,電感電流等于Buck電路輸出電流,電感還會存在磁芯損耗,在磁芯為鐵氧體材質(zhì)時,磁芯損耗可忽略不計,具體計算可參考電感廠家提供的應(yīng)用手冊。
在具有電流反饋的Buck電路中,還會存在采樣電阻 Rsense,其值通常為數(shù)毫歐,也會有不可忽略的導(dǎo)通損耗。
在同步整流Buck電路中,由于開關(guān)管交錯導(dǎo)通且存在開關(guān)時間,在某個開關(guān)管打開之前,若未完全關(guān)斷另一個開關(guān)管,兩管就會直通,這時輕則損耗變大,重則燒毀電路。
圖2 開關(guān)管交錯導(dǎo)通
為了完全錯開兩管的開關(guān)過程,便在驅(qū)動邏輯上增加了死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi),兩個MOSFET均關(guān)閉,電感電流不能突變,便只得從續(xù)流MOSFET Q2的體二極管中流過,但由于體二極管正向?qū)▔航档拇嬖?,也形成了一定的?dǎo)通損耗。
圖3 PWM死區(qū)
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非同步整流Buck電路
在非同步整流的Buck電路中,MOSFET Q2 被二極管 D1所替代,所以在電感續(xù)流期間,續(xù)流開關(guān)管的導(dǎo)通損耗便變成了二極管正向?qū)▔航邓鶐淼膿p耗。
圖4 非同步整流Buck電路
在MOSFET Q1 開通過程中,續(xù)流二極管D1逐漸反向恢復(fù),而反向恢復(fù)先要釋放掉續(xù)流期間正向?qū)〞r儲存的電荷,這里也會形成一定的損耗,反向截止電壓較低時該損耗通常較小可忽略。
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導(dǎo)通損耗和反向電容損耗
導(dǎo)通損耗和反向電容損耗計算公式如下:
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MOSFET的開關(guān)損耗
回到我們的同步整流Buck電路中,有同學(xué)可能會提出疑問了,MOSFET 是電壓型器件為什么也需要電流才能導(dǎo)通呢? 這是因為MOSFET 由于結(jié)構(gòu)的原因不可避免的存在寄生電容,為了使 MOSFET 達到導(dǎo)通條件,也就是柵極電壓Vgs超過某一閾值,必須通過柵極向這些寄生電容充電,這也就形成了驅(qū)動電流,同時為驅(qū)動電路提供瞬態(tài)電流的VCC電容和自舉電容的容量有限,過大的驅(qū)動電流會引起不可接受的電容電壓跌落,造成驅(qū)動電壓下降或者控制芯片工作異常,需要通過電阻來限制這個充電電流,所以實際上MOS的導(dǎo)通是需要一定時間的。
圖5 Mosfet導(dǎo)通柵極電壓曲線
導(dǎo)通期間,MOSFET 漏極電壓 Vds與漏極電流 Id重合,產(chǎn)生開通損耗。
圖6 MOSFET導(dǎo)通開關(guān)損耗
類似的,MOSFET 關(guān)斷期間產(chǎn)生關(guān)斷損耗。需要注意的是,由于死區(qū)時間的存在,續(xù)流MOSFET Q2 在開通和關(guān)斷之前,Vds電壓均已接近0V其開關(guān)損耗可忽略不計,即零電壓開關(guān)。 同時,給MOSFET 寄生電容充的電在關(guān)斷期間通過柵極驅(qū)動電路流向地,所以這部分電量也損耗掉了,稱其為驅(qū)動損耗。
圖7 ?MOSFET關(guān)斷釋放電荷
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開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗
開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗計算公式如下:
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VCC轉(zhuǎn)換器損耗
開關(guān)管N MOSFET Q1的驅(qū)動電路由控制芯片中的VCC轉(zhuǎn)換器供電,VCC轉(zhuǎn)換器通常為線性穩(wěn)壓器,存在較大效率損失,同時由于上管源極電壓浮動,需要自舉電路提供浮動驅(qū)動電壓,此處存在一定效率損失。 開關(guān)管N MOSFET Q2,類似,但無自舉電路損耗。邏輯電路和放大器等的損耗可以由芯片靜態(tài)電流Iq計算。 VCC轉(zhuǎn)換器損耗計算公式如下:
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案例計算
下面以MP9928同步整流控制芯片為例,計算其Demo板 12V轉(zhuǎn)5V 521kHz FCCM模式時的工作效率。我們可以在手冊中找到芯片的原理框圖,結(jié)合功能描述,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部VCC轉(zhuǎn)換器存在兩種供電方式,這里按從芯片電源輸入端IN 供電的方式計算芯片的損耗。
圖8 MP9928 VCC電源路徑
計算損耗所需要的公式如下,由于上下管 MOSFET 參數(shù)一致,可以對計算公式進行化簡:
從手冊中找到計算所需的柵極驅(qū)動電源電壓、芯片靜態(tài)電流、死區(qū)時間。
圖9 MP9928 芯片參數(shù)
通過瀏覽EV9928的手冊查得其所用 MOSFET 、電感、采樣電阻的型號,再瀏覽其對應(yīng)的手冊,獲得對應(yīng)柵極驅(qū)動電壓和漏極電源電壓情況下MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)和柵極驅(qū)動電荷Qg以及電感的直流導(dǎo)通電阻Rdc。
圖10 ?MOSFET柵極電荷和導(dǎo)通電阻
圖11 電感直流導(dǎo)通電阻
MOSFET實際的開關(guān)時間需要在電路中測試,此處選用MOSFET手冊中數(shù)據(jù)作為參考。
圖12 ?MOSFET開關(guān)時間
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效率計算結(jié)果分析
MP9928 評估板的效率計算結(jié)果與真實條件下的測試結(jié)果對比如下:
圖13 EV9928效率曲線
可以發(fā)現(xiàn)計算的出來的效率略高于測試結(jié)果,可能是因為損耗導(dǎo)致的發(fā)熱進一步影響了器件的參數(shù),但總體來說結(jié)果具有較高可信度。 若需進一步分析非線性參數(shù)對損耗的影響,可以參考MPS電源小課堂往期視頻《合適的比例,讓效率曲線更加完美》。 分析計算結(jié)果中各損耗來源所占百分比:
圖14 EV9928損耗來源
可以發(fā)現(xiàn)輕載時的損耗主要來源于芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路損耗以及MOSFET驅(qū)動損耗,而重載時主要來自于MOSFET、電感、采樣電阻等的導(dǎo)通損耗、以及MOSFET的開關(guān)損耗和死區(qū)時間內(nèi)下管體二極管續(xù)流時的損耗。
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工作狀態(tài)對效率的影響
進一步對MP9928?評估板進行效率測試:
圖15 EV9928不同工作模式下的效率曲線
可以發(fā)現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)致的驅(qū)動損耗,主要影響輕載效率,開關(guān)頻率對輕載效率影響較大,和計算結(jié)果推算一致。
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關(guān)于提升Buck電路效率的建議
對于大多數(shù) MPS Buck 穩(wěn)壓器,高側(cè)MOSFET、高側(cè)MOSFET驅(qū)動器、低側(cè)MOSFET、低側(cè)MOSFET驅(qū)動器(僅用于同步 Buck 變換器)、 VCC Regulator、邏輯和控制電路集成在一個芯片中。因此,選擇開合適的開關(guān)頻率、低側(cè)二極管(僅用于非同步Buck變換器)以及電感是降低功率損耗的關(guān)鍵。通常給出以下建議:
開關(guān)頻率越高,開關(guān)損耗越大。選擇合適的頻率可以優(yōu)化開關(guān)損耗和大小。
低側(cè) MOSFET (僅適用于同步轉(zhuǎn)換器):對于高輸出電流應(yīng)用,推薦使用低 Rds(on) 的 MOSFET來降低低端 MOSFET的導(dǎo)通損耗。對于高輸入電壓應(yīng)用,推薦使用低 Qg 的 MOSFET來降低 Vcc Regulator損耗。
選擇較小Ciss、Crss、Qg等寄生參數(shù)的高側(cè)MOSFET來減少開關(guān)損耗,其Rds(on)可以比低側(cè)MOSFET大。
續(xù)流二極管(只適用于非同步轉(zhuǎn)換器):為了減少續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗,建議采用低正向?qū)妷憾O管;選擇反向恢復(fù)速度快的二極管,減小反向恢復(fù)損耗。
建議采用低直流電阻的電感器,以減少電感器的導(dǎo)通損耗
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經(jīng)過上面的學(xué)習(xí),相信工程師朋友們已經(jīng)對Buck電路的功耗來源和計算有了大致的了解。
優(yōu)化功耗設(shè)計,在這個能源問題日益突出的環(huán)境里,也變得愈加重要。通過選擇合適的架構(gòu)、器件和參數(shù),可以讓我們每個工程師都能參與其中,為能源節(jié)約貢獻出一份力,你做好準備了嗎?
審核編輯:黃飛
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