【導讀】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)壓器的傳導損耗和整體效率。
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