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DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗

發(fā)布時(shí)間:2021-01-15 來源:Akshay Mehta 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】歡迎回到DC/DC變換器數(shù)據(jù)表博客系列。在本系列最后一期文章中,我將討論DC/DC穩(wěn)壓器元件的傳導(dǎo)損耗。傳導(dǎo)損耗是由設(shè)備寄生電阻阻礙直流電流在DC/DC變換器中的傳導(dǎo)產(chǎn)生的。傳導(dǎo)損耗與占空比有直接關(guān)系。當(dāng)電流較高一側(cè)的MOSFET打開后,負(fù)載電流就會(huì)從其中通過。漏源通道電阻(RDSON)產(chǎn)生的功率耗散可以用公式1表示:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
其中D =DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗= 占空比
 
對(duì)于LM2673這樣的非同步設(shè)備,在MOSFET關(guān)閉時(shí),二極管被正向偏置。在此期間,電感電流通過輸出電容、負(fù)載和正向偏置二極管。負(fù)載電流流過二極管產(chǎn)生的功率耗散可以用公式2表示:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
其中VF是選定二極管的正向電壓降。
 
除了集成MOSFET與環(huán)流二極管中的傳導(dǎo)損耗,電感器中也有傳導(dǎo)損耗,因?yàn)槊恳粋€(gè)電感器都有有限的直流電阻(DCR),即線圈中導(dǎo)線的電阻。公式3表示電感器中的功率耗散:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
傳導(dǎo)損耗取決于負(fù)載電流。負(fù)載增大時(shí),MOSFET中的傳導(dǎo)損耗會(huì)增加,而且是主要損耗因素。傳導(dǎo)損耗加上開關(guān)、驅(qū)動(dòng)和低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)損耗會(huì)產(chǎn)生很多的熱量,增加集成電路(IC)的結(jié)溫。增加的結(jié)溫可以用公式4表示:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
其中ICTj是IC的結(jié)溫,TA是環(huán)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(gè)溫度系數(shù)(RdsonTco)。當(dāng)IC的結(jié)溫升高時(shí),RDSON會(huì)在溫度系數(shù)的基礎(chǔ)上超出額定值。數(shù)據(jù)表可能不含有這一參數(shù),而TI的WEBENCH® Power Designer軟件可以提供這一信息,用以計(jì)算設(shè)計(jì)效率,讓計(jì)算結(jié)果更精確。公式5可以根據(jù)結(jié)溫調(diào)整RDSON:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
其中RdsonNom是 RDSON的額定值,可以在數(shù)據(jù)表中找到。
 
RDSON的增加取決于設(shè)備的散熱性能和結(jié)溫。不正確的散熱可以導(dǎo)致RDSON的大幅增加,引起最大負(fù)載效率的大幅下降。當(dāng)IC的連接焊盤(DAP)與IC板上的焊接不正確時(shí),就會(huì)出現(xiàn)上述情況。
 
計(jì)算損耗是一個(gè)迭代過程。在每一次迭代計(jì)算IC功率損耗時(shí),都需要評(píng)估結(jié)溫和相應(yīng)的RDSON,以得到精確的效率結(jié)果。WEBENCH Power Designer能很好的處理這一過程;還能顯示被動(dòng)元件損耗的計(jì)算結(jié)果。了解這些損耗是非常重要的,因?yàn)檫@可以幫助選擇正確的元件和DC/DC穩(wěn)壓器,以保持良好的效率?,F(xiàn)在,總傳導(dǎo)損耗可以用公式6表示:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
有了上述所有損耗,公式7對(duì)其進(jìn)行加總得到總損耗:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
公式8是得到的DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率:
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
 
圖1是LM2673在不同輸入電壓時(shí)的負(fù)載電流曲線對(duì)應(yīng)的整體效率??梢宰⒁獾截?fù)載電流低時(shí),效率會(huì)變差;從文章的第1和第2部分可以知道,這是開關(guān)損耗以及驅(qū)動(dòng)與LDO的損耗造成的。還需注意在最大負(fù)載電流時(shí),輸入電壓 (VIN)越高效率越低,這是因?yàn)殡妷涸礁唛_關(guān)損耗就越高。負(fù)載電流在1A以上時(shí),低VIN效率會(huì)相對(duì)較高,因?yàn)殚_關(guān)損耗降低。
 
DC/DC變換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗
圖1:LM2673效率
 
至此,我的關(guān)于數(shù)據(jù)表中效率的三篇博客文章就全部結(jié)束了?,F(xiàn)在,你應(yīng)當(dāng)能夠理解DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中不同元件的損耗。根據(jù)你的應(yīng)用需求,你現(xiàn)在可以清楚地確定何時(shí)選擇DC/DC穩(wěn)壓器及其開關(guān)頻率、散熱電路板空間,以及何時(shí)選擇二極管和電感器等被動(dòng)元件。選擇一個(gè)易電源DC/DC穩(wěn)壓器,在WEBENCH Power Designer中開始進(jìn)行設(shè)計(jì)吧。
 
 
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