發布日期：2022-04-25 點擊率：51
同步降壓電路廣泛用于為系統芯片提供低電壓和大電流的非隔離電源。實現同步降壓轉換器的功率損耗并提高效率對于電源設計人員來說非常重要。應用筆記介紹了降壓轉換器效率的分析，并實現了同步降壓轉換器的主要功率元件損耗。
降壓轉換器功率損耗分析
實現轉換器中的功率損耗對于轉換器設計優化很重要。圖 1 顯示了一般的單相同步降壓轉換器電路。同步降壓轉換器電路中的主要功率損耗如下所列：
A：功率半導體損耗
B：電感損耗
C ： 司機損失
D：PCB走線損耗
圖 1. 同步降壓轉換器
功率損耗計算
先進的微處理器對低功耗和高效同步降壓轉換器的需求很大。該應用筆記介紹并提供了如何計算典型同步降壓轉換器中發生在以下組件中的大部分功率損耗，基于轉換器工作在連續導通模式 （CCM） 固定開關頻率、固定輸入電壓和固定輸出電壓。
A：功率半導體損耗：
HMOS （High-Side MOSFET） 概括為包括：開關和導通損耗。
LMOS （Low-Side MOSFET） 概括為包括：導通、死區時間和反向恢復電荷損失。
HMOS 開啟損耗：
圖 2. HMOS 驅動器開啟
圖 3. HMOS 導通損耗區域
HMOS導通損耗：
高邊 MOSFET 的傳導損耗由 MOSFET 的導通電阻和晶體管 RMS 電流決定。
圖 4. HMOS 導通
圖 5. HMOS 導通周期
LMOS 導通損耗：
圖 6. LMOS 導通
圖 7. LMOS 導通周期
LMOS 死區時間體二極管損耗：
死區時間損耗是由 LMOS 體二極管在死區時間期間導通引起的。
圖 8. LMOS 體二極管導通
：
圖 9. LMOS 體二極管導通周期
LMOS反向恢復電荷損失：
圖 10. LMOS 體二極管反向恢復周期
B ： 電感器直流和交流損耗
電感直流損耗：
圖 11. 通過電感路徑的電流
圖 12. 電感電流路徑周期
電感磁芯損耗：
電感磁芯損耗主要由磁芯材料中的交變磁場引起。損耗是工作頻率和總磁通量擺動的函數。磁芯損耗可能因一種磁性材料而異。
圖 13. 電感紋波電流
圖 14. 鐵損曲線
計算和/或測量的磁芯損耗通常由電感器供應商直接提供。如果沒有，可以使用以下公式計算鐵損：
PL 是功率損耗 （mW），
Fsw ： 工作頻率
B ： 以高斯為單位的峰值通量密度
V e ： 有效核心體積
C、X 和 Y 的具體值是每種材料的鐵損參數
C：柵極驅動器損耗：
柵極驅動器損耗由 MOSFET 驅動器直接給出，用于充電/放電總 HMOS 和 LMOS Qg。柵極驅動器損耗取決于 MOSFET 總柵極電荷、驅動器電壓和 Fsw。
圖 15. 驅動器開啟和關閉路徑
圖 16. MOSFET 驅動器開啟
圖 17. MOSFET 驅動器關閉
D：PCB損耗：
圖 18 可以詳細說明為圖 19 和圖 20，其中 R tr1 ~R tr7具有 loop1（HMOS 導通）和 loop2（LMOS 導通）。
圖 18. PCB 走線圖
圖 19. PCB loop1 跡線
圖 20. PCB loop2 跡線
功率損耗測量和計算比較
盡管降壓轉換器功率損耗計算公式已得到很好的介紹和記錄。為了檢查這些功率損耗公式的準確性，表 1 顯示了典型的降壓轉換器應用參數，圖 21 顯示了測量和計算之間的效率比較。
圖 21. 效率比較的測量和計算
圖 22 顯示了降壓轉換器中的關鍵元件損耗，包括 HMOS、LMOS、電感器、驅動器和 PCB 走線損耗。讀者可以查看每個系統加載造成的主要損失。
圖 22. 降壓轉換器中的關鍵元件損耗
圖 23 顯示了降壓轉換器中的詳細組件損耗，并在曲線中說明了損耗與 Iout 的關系。
HMOS：P HSW（開關損耗）和 P HCOD（傳導損耗）
LMOS ：P LCOD（傳導損耗）、P L_DIODE（死區時間體二極管損耗）和 P RR（反向恢復損耗）
電感器：PL（電感器直流和鐵損）
驅動器：P DRV（柵極驅動器電荷損失）
PCB：P PCB（PCB走線損耗）
圖 23. 降壓轉換器的詳細功率損耗
結論
本應用文檔分析了同步降壓轉換器的功率損耗，并給出了功率損耗各部分的詳細計算。損耗計算還與實際降壓轉換器測量進行比較，并提供關鍵元件損耗數據，以考慮如何提高降壓轉換器效率，以考慮元件和 PCB 平面。
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