直流/直流转换器数据表——系统损耗揭秘

欢迎回到直流/直流转换器数据表系列。鉴于在上一篇文章中我介绍了系统效率方面的内容,在本文中,我将讨论直流/直流稳压器部件的开关损耗,从第1部分中的图3(此处为图1)开始:VDS和ID曲线随时间变化的图像。

1:开关损耗

让我们先来看看在集成高侧MOSFET中的开关损耗。在每个开关周期开始时,驱动器开始向集成MOSFET的栅极供应电流。从第1部分,您了解到MOSFET在其终端具有寄生电容。在首个时段(图1中的t1),源极电压(VGS)正接近MOSFET的阈值电压,VTH和漏电流为零。因此,在此期间的功率损耗为零。在t2时段,MOSFET的寄生输入电容(CISS)开始充电,而漏极电流开始流经MOSFET,呈线性增加。对降压拓扑结构来讲,该电流是负载电流,而漏源电压(VDS)是输入电压(VIN)。因此,在第二个时段(t2),功率损耗可通过等式1表示:

MOSFET的输入寄生电容冲完电后,负载电流流经MOSFET,而VDS开始下降。这一时间也被称为“米勒时刻”,因为这一时间主要是为密勒电容(CGD)充电。在米勒时刻期间,漏极电流在IOUT端是恒定的,而VDS从VIN开始下降。在这段时间内的功率损耗通过等式2表示:

在等式3中加上总开关损耗的结果:

注意,在图1中,t2比第三个时段(t3)短得多。因此,在这些等式中,你可以估算在t3时段中的损耗。在一个时段这些有限的过渡时间会出现两次:MOSFET导通(为寄生电容充电)时出现一次,而当它关闭(为寄生电容放电)时出现一次。因此,在这两种情况下估算时间t3作为MOSFET的上升和下降时间,您可使用等式4估算开关损耗:

开关损耗取决于频率和输入电压。因此,输入电压和开关频率较高时,总效率相对降低。在轻负载时,LM2673非同步降压稳压器进入非连续导通模式。在此模式下,该设备仍保持开关频率。在每一个周期,功率仍在集成电路(IC)内部消散。因此,即使导通损耗在轻负载时并非一个因素,但由于一直存在开关损耗,设备的效率会受到影响。并且由于传递到输出的平均功率很低,因此该装置的总效率也会较低。

SIMPLE SWITCHER®系列新型稳压器现配备脉冲频率调制(PFM)技术,在负载降低时,其会降低开关频率。这样可以使稳压器保持高效率,直到负载降低极低的程度或无负载。

由于LM2673属于非同步设备,它具有一个在MOSFET关断时被正向偏置的箝位二极管。非零渡越时间的原则也同样适用于该箝位二极管。但二极管的电压摆动刚从接地摆向二极管的正向电压降(VF),此时在二极管中的开关损耗可忽略不计。您也可以忽略电感磁心的开关损耗,因为如LM2673的SIMPLE SWITCHER稳压器的开关频率相对较低,仅为250 kHz。

在本系列的下一篇(也是最后一个)文章中,我将讨论MOSFET和直流/直流稳压器电路的无源部件的导通损耗,并列出一个等式来计算总损耗和产生的效率。

其他资源

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