DCDC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)效率計(jì)算

由于市場(chǎng)上的穩(wěn)壓器種類繁多，因此很難選擇 DC/DC 穩(wěn)壓器。大多數(shù)汽車應(yīng)用都需要在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率，因?yàn)樗鼈冇呻姵毓╇?。但話又說回來，許多工業(yè)應(yīng)用需要高負(fù)載時(shí)的良好效率，而輕負(fù)載時(shí)的效率并不是很重要。因此，了解 DC/DC 穩(wěn)壓器的損耗很重要。

閱讀 DC/DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中的效率曲線也會(huì)產(chǎn)生一些問題，例如“為什么輕負(fù)載時(shí)的效率低？” 和“為什么在重負(fù)載時(shí)效率會(huì)下降？” 我將嘗試以 SIMPLE SWITCHER® LM2673 3A 降壓穩(wěn)壓器為例，將系統(tǒng)效率分解為不同的組件損耗。

圖 1 顯示了評(píng)估模塊 (EVM) 原理圖。

圖 1：設(shè)計(jì)原理圖

柵極電荷和 IC 損耗

在 LM2673 等典型的非同步降壓穩(wěn)壓器中，功耗元件是 IC 本身、電感器和鉗位二極管。通過輸入和輸出電容器的均方根 (RMS) 電流和寄生等效串聯(lián)電阻 (ESR) 非常低；因此我們可以忽略這些組件的損失。

由于它們的結(jié)構(gòu)，每個(gè) MOSFET 在其端子之間都有一些寄生電容。它們是柵漏電容 (C GD )、柵源電容 (C GS ) 和漏電容 (C DS )，如圖 1 所示。電容值因 MOSFET 尺寸、制造和其他工藝參數(shù)而異. 與理想 MOSFET 不同（轉(zhuǎn)換時(shí)間為零），這些寄生電容的存在引入了有限的開關(guān)時(shí)間，如圖 2 所示。

圖 2：MOSFET 寄生電容

如圖 3 所示，有限的開關(guān)時(shí)間是輸入電容 (C ISS ) 充電和放電的結(jié)果。輸入電容基本上是 C GS和米勒電容 (C GD ) 之和。柵極電荷 (Q G ) 是柵極-源極電荷 (Q GS ) 和柵極-漏極電荷 (Q GD ) 之和。MOSFET 的柵極電荷是完全開啟 MOSFET 所需的電荷。 

圖 3：柵極電荷和米勒平臺(tái)

MOSFET 驅(qū)動(dòng)器提供電流 (I CC )，我們可以使用公式 1 估算該電流：

其中，F SW是 DC/DC 穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。

對(duì)于像 LM2673 這樣具有集成高端 MOSFET 的轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)表沒有列出 Q G等參數(shù)。因此，我們需要以不同的方式估算 I CC：在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上。在啟用設(shè)備并斷開負(fù)載的情況下，測(cè)量輸入電流。在沒有連接負(fù)載的情況下，此輸入電流測(cè)量本質(zhì)上是 I CC電流測(cè)量。電流 I CC也稱為工作靜態(tài)電流。請(qǐng)參閱“其他資源”部分中的鏈接以了解更多信息。

如需更準(zhǔn)確的計(jì)算，我們可以使用 TI 的 WEBENCH® Power Designer 軟件。WEBENCH Power Designer 擁有所有內(nèi)部 MOSFET 參數(shù)的信息，因此可以在計(jì)算損耗時(shí)考慮這些參數(shù)。

從等式 1 可以看出，電流與開關(guān)頻率 (F SW )成正比。由于 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器提供此電流，因此驅(qū)動(dòng)器中存在損耗。驅(qū)動(dòng)器電壓 (V CC ) 由內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 設(shè)置。驅(qū)動(dòng)器的損耗如公式 2 所示：

由于 DC/DC 穩(wěn)壓器內(nèi)部的 LDO 提供此電流，因此 LDO 中也會(huì)有功耗。該功耗表示為公式 3：

如果將公式 2 和 3 相加，我們將得到 LDO 和驅(qū)動(dòng)器的總功耗（公式 4）：

因此，隨著輸入電壓的升高，損耗也會(huì)增加。此外，柵極電荷直接影響開關(guān)損耗。如果內(nèi)部 MOSFET 有較大的寄生電容，則產(chǎn)生的柵極電荷會(huì)較大；切換轉(zhuǎn)換所花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)一些。這將因此增加開關(guān)損耗。

開關(guān)損耗

我們先來看看集成高端 MOSFET 的開關(guān)損耗。在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，驅(qū)動(dòng)器開始向集成 MOSFET 的柵極提供電流。從第 1 部分中，您知道 MOSFET 在其端子上有寄生電容。在第一個(gè)時(shí)間段（圖 1 中的 t1），柵極-源極電壓 (V GS ) 接近 MOSFET 的閾值電壓 V TH并且漏極電流為零。因此，在此期間的功率損耗為零。在時(shí)間段 t2 內(nèi)，MOSFET 的寄生輸入電容 (C ISS ) 開始充電，漏極電流開始流過 MOSFET，呈線性增加。對(duì)于降壓拓?fù)?，該電流是?fù)載電流和漏源電壓（V DS) 是輸入電壓 (V IN )。

一旦 MOSFET 的輸入寄生電容充電，負(fù)載電流流過 MOSFET，V DS開始下降。該時(shí)間也稱為“米勒時(shí)間”，因?yàn)樵摃r(shí)間僅用于對(duì)米勒電容 (C GD ) 充電。在米勒時(shí)間期間，漏極電流恒定在 I OUT并且 V DS從 V IN下降。

因此，在較高的輸入電壓和開關(guān)頻率下，整體效率相對(duì)降低。在輕負(fù)載時(shí)，LM2673 非同步降壓穩(wěn)壓器進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式。在這種模式下，器件仍保持開關(guān)頻率。在每個(gè)周期中，功率仍在集成電路 (IC) 內(nèi)部耗散。因此，即使在輕負(fù)載時(shí)傳導(dǎo)損耗不是一個(gè)因素，但由于始終存在的開關(guān)損耗，器件效率會(huì)受到影響。而且由于傳遞到輸出的平均功率非常低，因此設(shè)備的整體效率也很低。