開(kāi)關(guān)電源IC耗散功率計(jì)算

? 以下文章的內(nèi)容主要分析DCDC的開(kāi)關(guān)電源中，芯片的耗散功率計(jì)算。

很多時(shí)候，選擇了一個(gè)DCDC電源的控制芯片，有些人覺(jué)得開(kāi)關(guān)電源的效率很高，不再取考慮芯片的耗散功率的問(wèn)題，這些有時(shí)候使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電源的控制IC很燙，覺(jué)得不可理解，怎么感覺(jué)想LDO一樣發(fā)燙呢？原因往往是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的控制IC也是存在耗散功率的，只是這個(gè)功率很小，不容易引起工程師的注意，所以在選擇IC的時(shí)候，也不考慮IC的封裝，甚至IC的熱阻也沒(méi)有關(guān)注，所以在電源帶載較重的情況或者輸入輸出電壓相差較大情況下，IC的耗散功率加大，從而引起了發(fā)熱問(wèn)題。

DCDC的電源芯片主要存在兩種耗散功率，第一種是開(kāi)關(guān)損耗，第二種是傳導(dǎo)損耗。

一、開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)關(guān)損耗，指的是在芯片內(nèi)部，上臂的MOS管或者下臂管的MOS管再打開(kāi)和關(guān)閉的器件產(chǎn)生的功耗。如圖一的顯示兩種開(kāi)關(guān)電源控制芯片內(nèi)部架構(gòu)，以BUCK的方式為例。

圖一?TI的LM25017和ETA的2842開(kāi)關(guān)電源芯片示意圖

可以看到，控制SW輸出的存在上和下，兩個(gè)MOS管，上邊我們俗稱上臂的MOS，下邊的俗稱下臂的MOS。LM25017的是一個(gè)同步整流的開(kāi)關(guān)電源芯片，如果是非同步的，那么下臂的MOS管會(huì)由一個(gè)續(xù)流的二極管代替。同步整流的IC，效率會(huì)高，但是價(jià)格會(huì)貴。ETA的2842的芯片就是非同步的IC，可以看到，外部是加了一個(gè)二極管。

那么假設(shè)計(jì)算LM25017的開(kāi)關(guān)損耗，我們?nèi)绾芜M(jìn)行呢。

第一步，獲取IC中的開(kāi)關(guān)頻率和上臂、下臂的MOS打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間。

IC的開(kāi)關(guān)頻率，一般都是確定的，手冊(cè)一般會(huì)給出，LM25017是1Mhz。打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間這個(gè)一般在手冊(cè)中也會(huì)有。見(jiàn)圖二，TI LM25017的手冊(cè)對(duì)于MOS打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間計(jì)算。

圖二 MOS管打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間

可以看到，Vin對(duì)應(yīng)不同的Vgs，會(huì)影響打開(kāi)時(shí)間，關(guān)閉時(shí)間只統(tǒng)計(jì)了一個(gè)，應(yīng)該是Vgs對(duì)關(guān)閉時(shí)間影響不大。那么根據(jù)你實(shí)際使用的Vin情況，得到一個(gè)打開(kāi)時(shí)間。我們?nèi)in=32V，Ton取典型值，Ton=350ns。

還有一種情況，IC的廠商很LOW，這個(gè)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間，沒(méi)有給出來(lái)，那怎么辦。可以這樣估算，根據(jù)IC的內(nèi)部調(diào)整PWM的開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)間，管子的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間取這個(gè)頻率時(shí)間的1/6或者1/8.比如IC的開(kāi)關(guān)頻率是1Mhz,那么不管你占空比多少，它一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間就是1us。那么我們?nèi)〈蜷_(kāi)和關(guān)閉時(shí)間是周期時(shí)間的1/8，那就是125ns，1/6就是161ns。

第二步，計(jì)算打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)刻的峰值電流Ipeak。這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算稍微復(fù)雜，我們慢慢來(lái)。

Ipeak=Iout+△IL÷2，其中Iout就是你實(shí)際輸出到負(fù)載的電流?！鱅指的是在電感L中的開(kāi)關(guān)電流，除以2是因?yàn)椋鱅L是峰峰值，一般取平均值做有效值處理。因?yàn)镮L的電流信號(hào)在電感表現(xiàn)是上升和下降過(guò)程，但是不管是上升時(shí)間和下降時(shí)間是多少，總要回到原來(lái)的平衡點(diǎn)，不會(huì)超一個(gè)方向走，因?yàn)檫@樣不能達(dá)到平衡，比如你總是往上走，那么經(jīng)過(guò)多次充電和放電，電流IL要沖破天了？這不可能，所以他是在一個(gè)平衡點(diǎn)上充放電。

見(jiàn)圖三，電感電流IL1和SW的波形。

圖三 LM25017測(cè)試的IL1和SW波形

所以，你可以實(shí)際測(cè)量電感的電流Ipeak的值是多少。但是很多時(shí)候，我們還沒(méi)有用這個(gè)芯片，怎么取測(cè)量這個(gè)Ipeak，每次都跟供應(yīng)商拿DOMO板也是不現(xiàn)實(shí)的。所以可以根據(jù)一定的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)有一點(diǎn)復(fù)雜，請(qǐng)耐心看完。

公式是這個(gè)，

不過(guò)這存在一個(gè)問(wèn)題，是我們的L1，電感的值都沒(méi)有確定，所以也根本無(wú)法確定△IL。而且很多時(shí)候，電感的取值都是先假定△IL是0.3倍的Iout。哈哈，所以你發(fā)現(xiàn)，這不是雞和蛋的關(guān)系嗎。所以我的理解是，就假定△IL是我們認(rèn)為的0.3倍的△IL，這樣假設(shè)是認(rèn)為我們外圍的電流設(shè)計(jì)是能滿足要求，比如Cout，L的電感量等。所以在這基礎(chǔ)上，計(jì)算出L的值是多少。這時(shí)候我們?cè)侔选鱅L放大到0.5倍的Iout，即△IL=0.5Iout。所以Ipeak=Iout+0.25Iout。

第三步，計(jì)算再M(fèi)OS打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程的等效Vds和Ids。因?yàn)镸OS從不打開(kāi)到完全打開(kāi)，Vds是變化的，從最開(kāi)始的Vin到最后的接近0V，Ids也從0A到輸出的Ipeak。

那么這里會(huì)存在曲線的關(guān)系，主要是根據(jù)MOS的V-I曲線，也就是伏安曲線決定的，不同時(shí)間下，Vds和Ids的關(guān)系。這里會(huì)存在兩個(gè)積分，一個(gè)是對(duì)Vds的積分，還有一個(gè)是對(duì)Ids的積分，所以比較復(fù)雜。這部分的文檔也很少，更多的又是對(duì)MOS進(jìn)行各種等效的模型。因?yàn)镸OS存在計(jì)生電容，等效的內(nèi)阻，還存在死區(qū)期間，所以很多分析和計(jì)算，電容充電時(shí)間巴拉巴拉一堆。比如下面圖四的等效情況。

圖四 MOS管寄生參數(shù)等效圖

這里就不去牽扯很多分析，告訴一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的值，就是用都取1/2*D來(lái)進(jìn)行等效計(jì)算，D是占空比。BUCK 電路中，D=Vout/Vint。

那么可以計(jì)算打開(kāi)和關(guān)閉的耗散功率。一個(gè)周期中上臂MOS管打開(kāi)的耗散功率為：Pon=1/2*D*U*I*t=Vin*Ipeak*Ton/Fsw。下臂MOS管打開(kāi)的耗散功率為Poff=1/2*D*U*I*t=Vin*Ipeak*Toff/Fsw。Fsw就是IC開(kāi)關(guān)的頻率。

這樣，我們得到了打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)IC的耗散功率。如果是非同步的IC，那么Poff的功率就不需要計(jì)算，因?yàn)檫@部分功率損耗再續(xù)流的二極管上面，跟IC是沒(méi)有關(guān)系的。

因?yàn)镸OS存在計(jì)生電容，等效的內(nèi)阻，還存在死區(qū)期間，所以很多分析和計(jì)算，電容充電時(shí)間巴拉巴拉一堆。按照上面計(jì)算的方式已經(jīng)包括這部分的功耗，因?yàn)閺S家給的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間是考慮了這個(gè)死區(qū)和充電時(shí)間的。

二、傳導(dǎo)損耗

好了。開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算完畢，那么接下來(lái)計(jì)算傳導(dǎo)損耗。這個(gè)傳導(dǎo)損耗就很好計(jì)算了。

再M(fèi)OS管打開(kāi)的時(shí)候，內(nèi)阻就是Rds的阻值，這個(gè)芯片的手冊(cè)都會(huì)給出來(lái)具體的值。如圖5 TI 給出LM25017中MOS的Rds的值。

圖五 LM25017 MOS中Rds的值

可以看到，MOS的RDS的是0.8歐姆的典型值，真的挺大的。有一些IC還會(huì)具體給出上臂和下臂的MOS的Rds。而且需要注意的是，Rds是會(huì)隨溫度，Vgs變化的，一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，Rds越大，Vgs越大，Rds越小。所以IC如果發(fā)熱，沒(méi)有達(dá)到熱平衡，隨著Rds的增大，電流不變情況下，溫度還繼續(xù)上升，想想是不是IC會(huì)很燙？

傳導(dǎo)損耗就可以計(jì)算出來(lái)了，P=I*I*Rds。兩個(gè)管子分別計(jì)算Pon=Ipeak*Ipeak*0.8。Poff=Ipeak*Ipeak*0.8。自己再跟進(jìn)Rds隨溫度和Vgs變化曲線，取合適的值。

最后，IC的耗散功率P=P1（開(kāi)關(guān)損耗）+P2（傳導(dǎo)損耗）。這樣如評(píng)估IC的發(fā)熱程度和耗散功率情況。如LM25017，Vin=24V,Vout=5V，F(xiàn)sw是1Mhz，輸出Iout=1A，Rds是0.8歐姆，Ipeak是1.25A，D=(Vout/V int)。那么開(kāi)關(guān)損耗P1=Pon+Poff,Pon=Poff=D*D*1/2*1/2*24V*1.25A*350ns/1us=0.114W，P1=0.114W,傳導(dǎo)損耗P2=1.25W+1.25=2.5W，P=P1+P2=2.614W.可以看到計(jì)算下來(lái)的耗散功率還是很大的。LM25017沒(méi)有給具體的耗散功率大小，我們可以通過(guò)結(jié)溫來(lái)進(jìn)行評(píng)估。規(guī)格書(shū)上結(jié)溫最大能承受125℃，而且熱阻（外殼對(duì)空氣）是41℃/W，那么在2.614W的耗散功率下，結(jié)溫T=25℃+41℃/W*2.614W=132.174℃.

可以看到，溫度是超標(biāo)的，說(shuō)明這個(gè)僅僅是空氣散熱將會(huì)有問(wèn)題，如果使用，需要注意散熱。耗散功率那么大，我覺(jué)得這款芯片Rds太大了，所以導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗過(guò)大。