开关电源的功率耗损及热耗预算值-开关耗损发生的进程剖析-KIA MOS管

信息来历：本站　日期：2019-01-19　

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开关电源功率耗损热耗

开关情势电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称互换式电源、开关变更器，是一种高频化电能转换装配，是电源供给器的一种。其功效是将一个位准的电压，透过差别情势的架构转换为用户端所须要的电压或电流。开关电源的输入多数是交换电源（比方市电）或是直流电源，而输入多数是须要直流电源的装备，比方小我电脑，而开关电源就遏制二者之间电压及电流的转换。

开关电源差别于线性电源，开关电源操纵的切换晶体管多数是在全开情势（饱和区）及全闭情势（遏制区）之间切换，这两个情势都有低耗散的特色，切换之间的转换会有较高的耗散，但时辰很短，是以比拟节流动力，发生废热较少。抱负上，开关电源自身是不会耗损电能的。电压稳压是透过调剂晶体管导通及断路的时辰来到达。相反的，线性电源在发生输入电压的进程中，晶体督任务在缩小区，自身也会耗损电能。开关电源的高转换效力是其一大长处，并且由于开关电源任务频次高，能够利用小尺寸、轻分量的变压器，是以开关电源也会比线性电源的尺寸要小，分量也会比拟轻。

若电源的高效力、体积及分量是斟酌重点时，开关电源比线性电源要好。不过开关电源比拟庞杂，外部晶体管会频仍切换，若切换电流尚加以处置，能够会发生噪声及电磁搅扰影响其余装备，并且若开关电源不出格设想，其电源功率因数能够不高。

电源在为负载供给能量的同时也在熄灭自身，在电源设想时大师会很细心的去阐发负载的须要，可是轻易疏忽电源芯片或其焦点器件的热耗，对电源热耗的评价的目标是为了保障电源一直任务在一个宁静的状况（不会被热掩护或销毁）。评价热耗的第一步任务是计较电源计划的耗散功率（被耗损掉的功率），评价耗散功率有两种体例，黑盒和白盒。

一、黑盒体例评价电源的耗散功率

电源芯片及焦点的器件的热耗占电源的输入总功率的比例便是电源的效力，以是咱们能够从电源的效力反推取得电源的耗散功率，如图1.1。

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图 1.1 电源的功率传输

由图1.1推导得悉耗散功率的计较公式以下：

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上图是从效力和输入功率Po反推取得耗散功率的。为甚么要挑选输入功率而不是输入功率呢？由于输入功率的数据比拟轻易取得，便是负载的现实须要，比拟之下输入电压的规模比拟普遍，以是输入功率比拟难定量取得。

那末电源效力的数据若何去取得呢？很简略，若是是线性稳压器，那末效力便是输入电压与输入电压的比值(V0/Vin)，由于输入电流约即是输入电流；若是是开关电源，电源效力能够估为85%，如须要更加切确能够查芯片规格书的图表，如图1.2示例。

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图 1.2 某电源芯片的效力图表表示

二、白盒体例计较电源的耗散功率

线性稳压器的道理纯真且多为集成模块，以是领会若何利用黑盒体例计较耗散功率普通已充足。比拟之下开关电源的集成度较弱，以是偶然候须要分化子模块且零丁计较其耗散功率，这便是所谓的白盒情势。本文均以Buck为例，别的拓补情势可自行类推。

在BUCK电路的手艺演化进程中呈现了两个小分支，同步Buck与非同步Buck。二者的表面差别较着很好辨别，有高低两个MOSFET管的Buck叫同步Buck；只要上管MOSFET，续流管是肖特基二极管的Buck叫做非同步Buck。同步Buck是前面成长出来的手艺，利用MOSFET来取代续流二极管降落了导通压降，以是晋升了电源效力，固然须要额定增添一套MOSFET驱动电路本钱有所回升。

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图1.3 同步与非同步Buck

开关电源耗损

开关电源的耗损首要由两大块构成，途径耗损与开关耗损。

1、途径耗损（传导耗损）：大电流途径上的内阻上的耗损。以BUCK为例，途径耗损包罗上臂MOSFET的内阻耗损，电感的寄生阻抗(DCR)上的耗损及下臂MOSFET或续流二极管上的耗损。

2、开关耗损：守旧和封闭MOSFET进程中的耗损，与开关频次成反比。

一、懂得开关耗损

途径耗损比拟好懂得，很直观，咱们来侧重先容一下开关耗损的发生缘由。如图1.4所示，上桥臂MOSFET的漏极毗连至Vin，而源极毗连至相位节点。当上桥臂起头开启时，下桥臂MOSFET的体二极管（非同步BUCK同理）会将相位点箝位为低于地电压（负压）。这类很大的漏-源电压差及且上桥臂MOSFET也以开关体例传输转换器的完整负载电流，以是在开关进程中发生了开关耗损。

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图1.4 Buck的开关耗损表示

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图1.5 MOSFET的寄生电容

图1.5是MOSFET的寄生电容表示，图1.6是上桥臂MOSFET的开关耗损图形，这是抱负图形并假定栅极电流是恒定的。开关耗损的发生机理与MOSFET的寄生电容相干。

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图1.6 上桥臂MOSFET的抱负开关耗损图形

开关耗损发生进程具体阐发：

1、在时辰段t1起头时，当MOSFET驱动器起头向MOSFET的栅极供给电流时，VGS（MOSFET 的栅 - 源电压）起头回升。在此时代，将对输入电容 Ciss（CGS + CGD）遏制充电，而 VDS（MOSFET 的漏 - 源电压）坚持恒定。此时不存在漏 - 源电流，是以，在此时代不开关耗损。==>VGS小于阈值，MOSFET未开启，无耗损。

2、在时辰段 t2 起头时， VGS 电压超越栅 - 源阈值电压（VGS(TH)）。电流起头从漏极流向源极，同时 Ciss持续充电。该电流将线性回升，直到 Ids 即是电感电流 IL 为止。由于 MOSFET 上存在即是 VIN 的电压降，并且电流Ids 流过器件，以是此时代存在明显的开关耗损。==>VGS大于阈值，MOSFET开闸，耗损递增，极点为输入电流恰好知足负载须要处。

3、在时辰段 t3 时代， Ids 电流坚持恒定， Vds 电压起头降落。固然漏 - 源电压在降落，但几近一切的栅极电流都于对 CGD 遏制充电。由于几近不栅极电流用于对 CGS充电，以是栅 - 源电压在一个称为“开关点”电压（VSP）的电压下坚持绝对平展。该区域凡是称为米勒平展区（Miller Plateau）。在此时辰段时代，近似于 t2，也存在漏 - 源电压降，并且有明显电流流过器件。是以，t3 是开关周期会发生耗损的一个时辰段。==>VGS电平进入对峙阶段，MOSFET通道的深度加强，VDS压差降落，耗损递加，为转机点。

4、在超越时辰段 t3 时，MOSFET 通道加强，最高至 VGS到达其最大值的电压点。开关耗损已遏制，传导耗损起头呈现，直到上桥臂 MOSFET 封闭为止。封闭事务的景象长短常近似的，以开启事务的相反情势发生。===>VGS电平冲破对峙持续回升，MOSFET的通道持续加强，开关耗损加入舞台，传导耗损退场。

MOSFET的封闭进程的耗损与上述描写近似，步骤相反罢了，以是开关耗损包罗开启和封闭两局部，经提炼计较公式以下。

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同步Buck另有一个下臂MOSFET，可是它是靠近零电压开启的也便是不像上管那样会有庞大的Vds压差，以是下臂MOSFET的开关耗损是不被会商。

（二）、传导耗损的计较

1）、MOSFET的传导耗损，高低臂MOSFET的表述分歧只是所占时辰段不一样，用占空比辨别。

上臂MOSFET的传导耗损:

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下臂MOSFET的传导耗损（只针对同步Buck）:

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2）、续流二极管的传导耗损(只针对非同步Buck)

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VFD为续流二极管的正向导通压降。

3）、电感耗损

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请注重，该功率耗损并不取决于占空比，由于电感老是遏制传导。

（三）、别的耗损的阐发

MOSFET除开关和传导损以外，另有少许耗损由于别的身分引发的，由于所占比重较低，以是在非切确计较时普通被疏忽。

1）、对栅极寄生电容充电引发的耗损，高低臂MOSFET的计较体例分歧，公式以下：

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2）、同步Buck的下臂MOSFET的体二极管的反向规复耗损：

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3）、每一个开关周期对高低臂MOSFET的输入电容Coss（Cgd+Cds)遏制充电引发的耗损：

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4）、当同步降压转换器中的两个开关均封闭时，下桥臂 MOSFET 的体二极管将开启。在此时代（称为死区（Dead Time，DT）），体二极管中将呈现传导耗损。这些耗损能够描写为：

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请注重，该公式中的 DT 包罗回升沿和降落沿之和。

5）、芯片自身耗损

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三、黑盒和白盒的协同

白盒和黑盒两种计较体例各有所长，黑盒体例虽简略粗鲁可是有用，白盒体例虽一丝不苟可是良多参数没法切确取得。比方 RDS(ON) 取决于器件的结温，而耗损会使结温升高，为了取得切确的成果，须要遏制迭代计较，这些迭代必须履行到器件的结温不变（凡是到 < 1%）为止，这无疑增添了计较的庞杂性和难度。

在工程操纵中，咱们须要防止庞杂的计较公式，以是比拟简洁适用的体例是先用黑盒的体例计较取得电源的全体耗散功率，而后利用白盒体例计较焦点关头器件的耗散功率，二者相减便是在芯片上耗散的功率，而后再按照热电阻等参数遏制热耗阐发。开关电源的关头焦点器件普通便是电感、续流二极管或MOSFET，以是计较比拟简略。