系統(tǒng)效率解析成不同的組件損耗

市面上售有各種類型的穩(wěn)壓器，但很難選擇一款直流/直流穩(wěn)壓器。大多數(shù)汽車應(yīng)用都要求在整個負載范圍內(nèi)保持高效率，因為它們一直在耗電。但話又說回來，許多工業(yè)應(yīng)用在高負載時需要高效率，而在輕負載時，效率并不是很重要。因此必須了解直流/直流穩(wěn)壓器中的損耗。閱讀直流/直流轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中提供的效率曲線時也萌生了一些問題，比如“為什么在輕負載時功率較低呢？”“為什么在重負載時功率會下降呢？”在該系列博客中，我會以SWITCHER? LM2673 3A降壓穩(wěn)壓器為例，嘗試將系統(tǒng)效率解析成不同的組件損耗。

圖1所示為評估模塊（EVM）示意圖。

圖1：設(shè)計原理圖

柵極電荷和IC損耗

在諸如LM2673的典型非同步降壓穩(wěn)壓器中，功耗部件包括集成電路、電感器和箝位二極管。穿過輸入和輸出電容和寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）的均方根（RMS）電流非常低；因此，你可以忽略這些組件的損耗。

由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，每個MOSFET在其端子之間都有一些寄生電容。它們是柵漏電容（CGD）、源極電容（CGS）和漏電容（CDS），如圖1所示。電容值視MOSFET尺寸、裝配和其它工藝參數(shù)而有所不同。理想的MOSFET過渡時間為零，與此不同的是，這些寄生電容具有有限的開關(guān)時間，如圖2所示。

圖2：MOSFET的寄生電容

如圖3所示，有限的開關(guān)時間是輸入電容（CISS）充放電的結(jié)果。輸入電容基本上是CGS和密勒電容（CGD）相加所得。柵極電荷（QG）是源極電荷（QGS）和柵漏電荷（QGD）相加所得。MOSFET的柵極電荷是需要完全開啟MOSFET的電荷。

圖3：柵極電荷和密勒平臺

MOSFET驅(qū)動器提供電流（ICC），您可以使用公式1進行估算：

其中，F(xiàn)SW是指直流/直流穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。

對于像LM2673一樣具有集成高側(cè)MOSFET的轉(zhuǎn)換器來講，數(shù)據(jù)表中并未列出QG等參數(shù)。因此，你需要在實驗臺上以不同的方式估算ICC。啟動設(shè)備后，斷開負載，測量輸入電流。在未連接載荷的情況下，該輸入電流測量基本上測量ICC電流。ICC電流也稱為工作靜態(tài)電流。請參考“其他資源”部分中的鏈接，了解更多信息。

為了更準確地計算，可以使用德州儀器的WEBENCH? Power Designer軟件。WEBENCH Power Designer具有所有內(nèi)部MOSFET參數(shù)的信息，因此在計算損耗時可將這些考慮在內(nèi)。

如等式1所示，電流直接與開關(guān)頻率（FSW）成正比。由于MOSFET驅(qū)動器在提供該電流，驅(qū)動器中會有損耗。驅(qū)動電壓（VCC）由內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器（LDO）設(shè)置。驅(qū)動器中的損耗以等式2表示：

因為直流/直流穩(wěn)壓器內(nèi)的LDO提供該電流，在LDO中也會有功耗。此功耗通過等式3表示：

如果將等式2和等式3相加，可以得出LDO和驅(qū)動器（等式4）的總功耗：

因此，輸入電壓越高，損耗也會增加。此外，柵極電荷直接影響開關(guān)損耗。如果內(nèi)部MOSFET具有較大的寄生電容，那么所得的柵極電荷將會更大；在開關(guān)轉(zhuǎn)換所花費的時間也將會更長。因此會增加開關(guān)損耗。

在本系列的下一篇文章中，我將解釋柵極電荷如何與MOSFET的開關(guān)損耗相關(guān)；輕負載效率如何依賴于這些損耗；以及總損耗如何影響直流/直流穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)損耗和整體效率。

審核編輯：何安