Buck降压开关电源的功率消耗计较分享-KIA MOS管

直流传导消耗

接纳抱负组件(导通状况下零压降和零开关消耗)时，抱负降压转换器的效力为100%。而现实上，功耗一直与每一个功率元件相干联。SMPS中有两种范例的消耗：直流传导消耗和交换开关消耗。

降压转换器的传导消耗首要来自于晶体管Q1、二极管D1和电感L在传导电流时发生的压降。为了简化会商，鄙人面的传导消耗计较中疏忽电感电流的交换纹波。

若是MOSFET用作功率晶体管，MOSFET的传导消耗即是IO2 ? RDS(ON) ? D，此中RDS(ON)是MOSFET Q1的导通电阻。

二极管的传导功率消耗即是IO ? VD ? (1 – D)，此中VD是二极管D1的正向压降。电感的传导消耗即是IO2 ? R DCR，此中R DCR是电感绕组的铜电阻。是以，降压转换器的传导消耗约为：

比方，12V输入、3.3V/10AMAX输入降压电源能够利用以下元件：MOSFET RDS(ON) = 10mΩ，电感RDCR = 2 mΩ，二极管正向电压VD = 0.5V。是以，满负载下的传导消耗为：

若是只斟酌传导消耗，转换器效力为：

上述阐发显现，续流二极管的功率消耗为3.62W，远高于MOSFET Q1和电感L的传导消耗。为进一步进步效力，ADI公司倡议可将二极管D1替换为MOSFET Q2，如图9所示。该转换器称为同步降压转换器。Q2的栅极须要对Q1栅极停止旌旗灯号互补，即Q2仅在Q1关断时导通。

同步降压转换器的传导消耗为：

图9  同步降压转换器及其晶体管栅极旌旗灯号

若是10mΩ RDS(ON) MOSFET也用于Q2，同步降压转换器的传导消耗和效力为：

下面的示例显现，同步降压转换器比传统降压转换器更高效，出格合用于占空比小、二极管D1的传导时候长的低输入电压利用。

交换开关消耗

除直流传导消耗外，另有因利用不抱负功率元件致使的其余交换/开关相干功率消耗：

MOSFET开关消耗

实在的场效应管须要时候来导通或关断。是以，在导通和关断瞬变进程中存在电压和电流堆叠，从而发生交换开关消耗。图10显现同步降压转换器中MOSFET Q1的典范开关波形。

顶部FET Q1的寄生电容CGD的充电和放电及电荷QGD决议大局部Q1开关时候和相干消耗。在同步降压转换器中，底部FET Q2开关消耗很小，由于Q2老是在体二极管传导后导通，在体二极管传导前关断，而体二极管上的压降很低。

可是，Q2的体二极管反向规复电荷也能够增添顶部FET Q1的开关消耗，并发生开关电压响铃和EMI噪声。公式(12)显现，节制FET Q1开关消耗与转换器开关频次fS成反比。切确计较Q1的能量消耗EON和EOFF并不简略，详细可参见MOSFET供给商的利用条记。

图10  降压转换器中顶部FET Q1的典范开关波形和消耗

电感铁损PSW_CORE

实在的电感也有与开关频次相干的交换消耗。电感交换消耗首要来自磁芯消耗。在高频SMPS中，磁芯资料能够是铁粉芯或铁氧体。普通而言，铁粉芯微饱和，但铁损高，而铁氧体资料猛烈饱和，但铁损低。

铁氧体是一品种似陶瓷的铁磁资料，其晶体布局由氧化铁与锰或氧化锌的夹杂物构成。铁损的首要缘由是磁滞消耗。磁芯或电感制作商凡是为电源设想职员供给铁损数据，以估量交换电感消耗。

其余交换相干消耗

其余交换相干消耗包含栅极驱动器消耗PSW_GATE(即是VDRV ? QG ? fS)和死区时候(顶部FET Q1和底部FET Q2均关断时)体二极管传导消耗(即是(ΔTON + ΔTOFF) ? VD(Q2) ? fS)。

总而言之，开关相干消耗包含：

凡是，计较开关相干消耗并不简略。开关相干消耗与开关频次fS成反比。在12VIN、3.3VO/10AMAX同步降压转换器中，200kHz – 500kHz开关频次下的交换消耗约致使2%至5%的效力丧失。是以，满负载下的总效力约为93%，比LR或LDO电源要好很多。能够削减快要10倍的热量或尺寸。

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