傳導損耗是由設備寄生電阻阻礙直流電流在DC/DC變換器中的傳導產生的。傳導損耗與占空比有直接關系。當電流較高一側的MOSFET打開后,負載電流就會從其中通過。漏源通道電阻(RDSON)產生的功率耗散可以用公式1表示:
其中D = VOUT/VIN= 占空比
對于LM2673這樣的非同步設備,在MOSFET關閉時,二極管被正向偏置。在此期間,電感電流通過輸出電容、負載和正向偏置二極管。負載電流流過二極管產生的功率耗散可以用公式2表示:
其中VF是選定二極管的正向電壓降。
除了集成MOSFET與環流二極管中的傳導損耗,電感器中也有傳導損耗,因為每一個電感器都有有限的直流電阻(DCR),即線圈中導線的電阻。公式3表示電感器中的功率耗散:
傳導損耗取決于負載電流。負載增大時,MOSFET中的傳導損耗會增加,而且是主要損耗因素。傳導損耗加上開關、驅動和低壓差線性穩壓器(LDO)損耗會產生很多的熱量,增加集成電路(IC)的結溫。增加的結溫可以用公式4表示:
其中ICTj是IC的結溫,TA是環境溫度,θJA是IC到空氣的熱阻,ICPd是IC中總功率耗散。
MOSFET的RDSON通常有一個溫度系數(RdsonTco)。當IC的結溫升高時,RDSON會在溫度系數的基礎上超出額定值。數據表可能不含有這一參數,而TI的WEBENCH? Power Designer軟件可以提供這一信息,用以計算設計效率,讓計算結果更精確。公式5可以根據結溫調整RDSON:
其中RdsonNom是 RDSON的額定值,可以在數據表中找到。
RDSON的增加取決于設備的散熱性能和結溫。不正確的散熱可以導致RDSON的大幅增加,引起最大負載效率的大幅下降。當IC的連接焊盤(DAP)與IC板上的焊接不正確時,就會出現上述情況。
計算損耗是一個迭代過程。在每一次迭代計算IC功率損耗時,都需要評估結溫和相應的RDSON,以得到精確的效率結果。WEBENCH Power Designer能很好的處理這一過程;還能顯示被動元件損耗的計算結果。了解這些損耗是非常重要的,因為這可以幫助選擇正確的元件和DC/DC穩壓器,以保持良好的效率。現在,總傳導損耗可以用公式6表示:
有了上述所有損耗,公式7對其進行加總得到總損耗:
公式8是得到的DC/DC穩壓器設計效率:
圖1是LM2673在不同輸入電壓時的負載電流曲線對應的整體效率。可以注意到負載電流低時,效率會變差;從文章的第1和第2部分可以知道,這是開關損耗以及驅動與LDO的損耗造成的。還需注意在最大負載電流時,輸入電壓 (VIN)越高效率越低,這是因為電壓越高開關損耗就越高。負載電流在1A以上時,低VIN效率會相對較高,因為開關損耗降低。
圖1:LM2673效率
至此,我的關于數據表中效率的三篇博客文章就全部結束了。現在,你應當能夠理解DC/DC穩壓器設計中不同元件的損耗。根據你的應用需求,你現在可以清楚地確定何時選擇DC/DC穩壓器及其開關頻率、散熱電路板空間,以及何時選擇二極管和電感器等被動元件。
審核編輯:郭婷
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