一文说透BUCK电路的开关损耗

科技 2024-11-01 17:21 中国香港

最近搞一些大功率的电源,一直在处理电源的发热的问题,虽然通过元件选型,电路布局,加散热片,等各种手段,把温度降下来了,总觉得还不够透彻.借buck电源,系统研究下发热问题.本文总结了BUCK电路中,所有的发热源产生的原因,并用公式的方式进行表示,为分析散热问题,提供理论依据.

1. 定义与发热

在探讨损耗之前，先来看一下损耗相关的定义、发热和结温。

1.1 损耗与效率

损耗是发热的根源,效率是整体的功效的评价!效率是将输入功率转换为所需输出功率时获得的功率百分比，是通过输出功率除以输入功率得到的值.

效率＝输出功率÷输入功率* [%]

损耗＝输入功率―输出功率 [W]

1.2 损耗与结温

损耗会转变为发热量,导致温度升高,结温,是芯片内核的温度,它们之间存大如下关系式:

TJ [℃] ＝TA [℃]＋(θJA [℃/W]×损耗 [W])

在这里之所以将“θJA [℃/W]×损耗[W]”项用括号括起来,是因为该项即相当于“发热温升”。从公式中可以看出，“环境温度TA ＋发热温升”” 即为 TJ。

1.3 封装的热阻及其定义

热阻 θJA 因封装和实装电路板的条件而异。通常，在各 IC 的技术规格书中会给出标准值。图 2 展示了封装热阻的概念，表 1 中列出了每个符号的定义。

图 1. 封装热阻的概念

符号	定义
θJA	结温（TJ）与环境温度（TA）间的热阻
θJC	结温（TJ）与外壳表面温度（TC ）间的热阻
θCA	外壳表面温度（TC）与环境温度（TA）间的热阻
TJ	结温
TA	环境温度
TC	外壳表面温度

2. 同步整流降压转换器的损耗

2.1 损耗发生位置

下图是buck电路中,产生损耗的地方,发生位置用红色圈以及红色简称来标注.

图 2. 同步整流降压转换器的损耗发生位置

PONH 是高边 MOSFET 导通时的导通电阻带来的导通损耗。

PONL 是低边 MOSFET 导通时的导通电阻带来的导通损耗。

PSWH 是 MOSFET 的开关损耗。

Pdead_time 是死区时间损耗。

当高边和低边 MOSFET 同时导通时，VIN 和 ND 处于接近短路的状态，流过的过电流称为“直通电流” 。为了避免这种情况，几乎所有的控制器 IC 都会在高边和低边导通/关断切换时，设有两者都关断的短暂时间，这就是“死区时间”。为了安全起见是需要死区时间的，但也会产生损耗。

PIC是电源控制IC（在这里为功率晶体管外置同步整流降压转换器用控制器 IC）的电源电流。基本上是IC本身消耗的电流。

PGATE 是外置 MOSFET 的栅极电荷损耗。原则上 MOSFET 的栅极是不流过电流的，但实际上需要驱动栅极电容的电荷，这会成为损耗。需要同时考虑高边和低边。

PCOIL 是输出电感的直流电阻（Rdc）带来的导通损耗。

将这些损耗全部加在一起就是同步整流降压转换器的损耗:

总损耗 P＝PONH＋PONL＋PSWH＋Pdead_time＋PIC＋PATE + PCOIL

2.2 开关的导通损耗：PONH 、PONL

先看开关mos管导通损耗.IONH（红色）表示高边MOSFET导通时的电流。IONL（蓝色）表示低边 MOSFET 导通时的电流。

图 3. 开关的导通损耗：PONH 、PONL

图 4. 开关电压波形和电流波形

LX 是开关节点的电压波形

IONH 和 IONL 是伴随着开关的各电流波形

IL 是电感电流

在同步整流中，高边开关导通时低边开关会关断，低边导通时高边会关断。开关节点 LX 的波形的红色部分表示流过IONH ，蓝色部分表示流过IONL。也就是说，这期间流过 MOSFET 的电流和 MOSFET 的导通电阻带来的功率损耗会成为相应的导通损耗。

高边MOS导通时,平均电流为Io,导通电阻为Ron,导通时间为Ton,其中Ton=T*D

D=Vo/Vin,

一个周期内损耗的能量为:

W=Ronh*I*l*T*D

则功率为:

P=W/T

同理,低边MOS的损耗为:

总结一下:

1)高边 MOSFET 的导通电阻 RONH 带来的导通损耗

2)低边 MOSFET 的导通电阻 RONL 带来的导通损耗

3)如果是非同步BUCK,则下管变成二极管的压降上带来的损耗,采用同样的思路:

其中,为二极管导通时间.

2.3 开关损耗：PSWH

开关MOS在打开和关闭的过程中,并不是理想的,上升沿和下降沿都有一个过程,这个过程中产生的损耗,为开关损耗.

图 6 ：开关损耗：PSWH

1)上管导通的过程,假如用慢镜头看,节点LX上的电压是从0V,逐渐增加到Vin,MOS管D,S两端的电压,相当于从Vin逐渐减小到0V,与上图A对称.

2)上管关断的过程,假如用慢镜头看,节点LX上的电压是从Vin,逐渐增加到0V,MOS管D,S两端的电压,相当于从0V逐渐增加到Vin,与上图B对称.

相当于电流为输出电流IO,时间变trise+tfail,电压从0V到VIN的积分.

W=U*I*t

=U*Io*(trise+tfail)

P=W/T=W*f

U是一直在变的,其实就是求积分,如果不记得怎么积分了,就运用几何的方式计算,U*t的结果,就是下方三角形的面积:

S=U*t=1/2* (trise+tfail)*Vin

PSWH 可通过下列公式计算得出。

PSWH (W) = 0.5 × VIN × Io × (tRISE + tFALL ) × fSW

tRISE ：开关电压的上升时间

tFALL ：开关电压的下降时间

IO ：负载电流

VIN ：输入电压

fSW ：开关频率

以上升和下降时间为底边、以 VIN 为高的三角形部分的功率是损耗。

下管的开关损耗与上管的损耗计算方法是一样的,但是有个很大的不同,下管的漏极电压为低电压,从-0.3V到0V,因此损耗非常小,可以忽略不计.

2.4 死区时间损耗：Pdead_time

死区时间损耗是指在死区时间中，因低边开关（MOSFET）体二极管的正向电压和负载电流而产生的损耗。在这里使用 Pdead_time 这个符号来表示。

图 9. 死区时间损耗：Pdead_time

理想情况下,同步BUCK,上管与下管是交替导通的,但是由于MOS的开与关存在导通时间和关断时间,有可能导致两个管子同时导通的情况,会出现烧管,为避免这种情况,在上管关断后,延时一段时间,再让下管导通,下管关断后,延时一段时间,再让上管导通,这个延时的过程,由下管的体二极管维持电流.

图 10.开关电压波形和电流波形

因为一个周期内,就两个死区时间,死区时间损耗 Pdead_time 可以通过以下公式计算:

tdead_time ：死区时间

IO ：负载电流

VF ：低边 MOSFET 体二极管正向电压

fSW ：开关频率

2.5 控制 IC 自身的功率损耗：PIC

作为同步整流控制 IC，即使未内置功率开关，控制 IC 也需要电源来工作，当然也会消耗电力，而且，其功耗也会成为损耗。在这里使用符号 PIC 来表示。

图 11. 控制 IC 自身的功率损耗：PIC

控制 IC 自身的功率损耗 PIC 可以通过以下公式计算:

ICC ：IC 自身的消耗电流

VIN ：输入电压

2.6 栅极电荷损耗：PATE

栅极电荷损耗是由外置MOSFET的栅极总电荷量（Q）引起的损耗。当 MOSFET 开关时，电源IC的栅极驱动器向MOSFET的寄生电容充电（向栅极注入电荷)而产生这种损耗（参见图15和图16）。在这里使用符号PATE来表示。

图 12. 外置 MOSFET 栅极电荷

栅极电荷损耗 PATE 可以通过以下公式求得:

QH(total) ：高边 MOSFET 的栅极总电荷量（nC）

QL(total) ：低边 MOSFET 的栅极总电荷量（nC）

VDriver ：MOSFET 驱动器电路的电源电压

fSW ：开关频率

损耗是MOSFET的 Q 乘以驱动器电压和开关频率的值。Q 请参考所使用的 MOSFET的技术规格书。驱动器电压请实测或者参考IC的技术规格书。

从该公式可以看出，只要Q相同，则开关频率越高损耗越大。从提供 MOSFET所需的VS的角度看，驱动器电压不会因电路或IC而有太大差异。MOSFET的选型和开关频率因电路设计而异，因此，是非常重要的探讨事项。

栅极电荷损耗，不仅是开关电源也是开关 MOSFET应用中共同面临的探讨事项。

2.7 电感的 Rdc 带来的导通损耗：PCOIL

电感的直流电阻（Rdc）是线圈的电阻分量。因此，流过电感的电流和 Rdc 会产生损耗。损耗发生的位置是电感本身.

图 13. 电感的 Rdc 带来的导通损耗：PCOIL

电感的导通损耗 PCOIL 可以通过以下公式求得:

以上就是BUCK电路中所有损耗的计算方法和公式.当然实际应用中,还有其它原因引起发热的原因,比如上管的开关波形,不太好,进一步恶化了上管发热的问题.需要在实际应该中,根据实际情况作相应的处理!

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