MPS | Buck電路的功耗那些事兒

導(dǎo)言

在DCDC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)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(jī)狀態(tài)的損耗來確定電路對待機(jī)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(jì)算，便成了我們在優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)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(jì)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（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）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?yàn)镸OSFET 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(jì)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(jì)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(jì)，具體計(jì)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)▔航档拇嬖冢残纬闪艘欢ǖ膶?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(jì)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?yàn)镸OSFET 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(dá)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(shí)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(jì)，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7MOSFET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(jì)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(jì)算。

VCC轉(zhuǎn)換器損耗計(jì)算公式如下：

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案例計(jì)算

下面以MP9928同步整流控制芯片為例，計(jì)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(jì)算芯片的損耗。

圖8 MP9928 VCC電源路徑

計(jì)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(jì)算公式進(jìn)行化簡：

從手冊中找到計(jì)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10MOSFET柵極電荷和導(dǎo)通電阻

圖11 電感直流導(dǎo)通電阻

MOSFET實(shí)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12MOSFET開關(guān)時間

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效率計(jì)算結(jié)果分析

MP9928 評估板的效率計(jì)算結(jié)果與真實(shí)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(jì)算的出來的效率略高于測試結(jié)果，可能是因?yàn)閾p耗導(dǎo)致的發(fā)熱進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)一步對MP9928 評估板進(jìn)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(jì)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

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(jì)算有了大致的了解。

優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)，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(xiàn)出一份力，你做好準(zhǔn)備了嗎？

審核編輯 黃宇