上期回顧：以動(dòng)制靜?——?優(yōu)化BUCK輸出動(dòng)態(tài)

導(dǎo)言

在DCDC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)過程中，我們常常會(huì)需要知道轉(zhuǎn)換電路在某個(gè)特定工作狀態(tài)時(shí)功率的損耗。

比如通過待機(jī)狀態(tài)的損耗來確定電路對(duì)待機(jī)時(shí)長的影響，通過穩(wěn)態(tài)情況的損耗來確定設(shè)備溫升情況，以及大電流情況下的損耗來確定電路的極限工作能力。

而弄清楚轉(zhuǎn)換電路中損耗的來源以及如何去計(jì)算，便成了我們?cè)趦?yōu)化功耗設(shè)計(jì)時(shí)不可或缺的內(nèi)容。

本期內(nèi)容 ? ? ? ? ? ? ? ? ?

今天我們將通過對(duì)Buck電路中損耗的分析和計(jì)算，帶大家初步了解DCDC電路中的損耗是如何產(chǎn)生的，以及如何針對(duì)不同工作狀態(tài)去減小電路的損耗。

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同步整流Buck電路

Buck電路通常由輸入電容、開關(guān)管、續(xù)流管、電感、輸出電容以及反饋控制電路組成，而續(xù)流管又分為被動(dòng)的續(xù)流二極管和主動(dòng)的同步整流開關(guān)管，這兩種情況對(duì)于損耗的影響是不同的。

在如圖所示的同步整流Buck電路工作過程中，N MOSFET Q1持續(xù)地開通和關(guān)斷，電源和電容提供的輸入電流斷續(xù)流過Q1，在Q1關(guān)斷期間，由于電感電流不能突變，所以需要打開N MOSFET Q2為其主動(dòng)續(xù)流維持電感輸出電流。

圖1：同步整流Buck電路

因?yàn)镸OSFET 存在導(dǎo)通電阻，在導(dǎo)通階段流過電流會(huì)產(chǎn)生損耗，稱之為導(dǎo)通損耗，計(jì)算時(shí)由于上下管交替導(dǎo)通以及各自導(dǎo)通電阻的差異，需要分別計(jì)算其導(dǎo)通損耗。

類似的，電流流經(jīng)電感L 時(shí)也會(huì)由于電感的直流導(dǎo)通電阻而產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，在電感電流紋波很小可以忽略的情況下，電感電流等于Buck電路輸出電流，電感還會(huì)存在磁芯損耗，在磁芯為鐵氧體材質(zhì)時(shí)，磁芯損耗可忽略不計(jì)，具體計(jì)算可參考電感廠家提供的應(yīng)用手冊(cè)。

在具有電流反饋的Buck電路中，還會(huì)存在采樣電阻 Rsense，其值通常為數(shù)毫歐，也會(huì)有不可忽略的導(dǎo)通損耗。

在同步整流Buck電路中，由于開關(guān)管交錯(cuò)導(dǎo)通且存在開關(guān)時(shí)間，在某個(gè)開關(guān)管打開之前，若未完全關(guān)斷另一個(gè)開關(guān)管，兩管就會(huì)直通，這時(shí)輕則損耗變大，重則燒毀電路。

圖2 開關(guān)管交錯(cuò)導(dǎo)通

為了完全錯(cuò)開兩管的開關(guān)過程，便在驅(qū)動(dòng)邏輯上增加了死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)MOSFET均關(guān)閉，電感電流不能突變，便只得從續(xù)流MOSFET Q2的體二極管中流過，但由于體二極管正向?qū)▔航档拇嬖?，也形成了一定的?dǎo)通損耗。

圖3 PWM死區(qū)

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非同步整流Buck電路

在非同步整流的Buck電路中，MOSFET Q2 被二極管 D1所替代，所以在電感續(xù)流期間，續(xù)流開關(guān)管的導(dǎo)通損耗便變成了二極管正向?qū)▔航邓鶐淼膿p耗。

圖4 非同步整流Buck電路

在MOSFET Q1 開通過程中，續(xù)流二極管D1逐漸反向恢復(fù)，而反向恢復(fù)先要釋放掉續(xù)流期間正向?qū)〞r(shí)儲(chǔ)存的電荷，這里也會(huì)形成一定的損耗，反向截止電壓較低時(shí)該損耗通常較小可忽略。

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導(dǎo)通損耗和反向電容損耗

導(dǎo)通損耗和反向電容損耗計(jì)算公式如下：

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MOSFET的開關(guān)損耗

回到我們的同步整流Buck電路中，有同學(xué)可能會(huì)提出疑問了，MOSFET 是電壓型器件為什么也需要電流才能導(dǎo)通呢？ 這是因?yàn)镸OSFET 由于結(jié)構(gòu)的原因不可避免的存在寄生電容，為了使 MOSFET 達(dá)到導(dǎo)通條件，也就是柵極電壓Vgs超過某一閾值，必須通過柵極向這些寄生電容充電，這也就形成了驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)電路提供瞬態(tài)電流的VCC電容和自舉電容的容量有限，過大的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)引起不可接受的電容電壓跌落，造成驅(qū)動(dòng)電壓下降或者控制芯片工作異常，需要通過電阻來限制這個(gè)充電電流，所以實(shí)際上MOS的導(dǎo)通是需要一定時(shí)間的。

圖5 Mosfet導(dǎo)通柵極電壓曲線

導(dǎo)通期間，MOSFET 漏極電壓 Vds與漏極電流 Id重合，產(chǎn)生開通損耗。

圖6 MOSFET導(dǎo)通開關(guān)損耗

類似的，MOSFET 關(guān)斷期間產(chǎn)生關(guān)斷損耗。需要注意的是，由于死區(qū)時(shí)間的存在，續(xù)流MOSFET Q2 在開通和關(guān)斷之前，Vds電壓均已接近0V其開關(guān)損耗可忽略不計(jì)，即零電壓開關(guān)。 同時(shí)，給MOSFET 寄生電容充的電在關(guān)斷期間通過柵極驅(qū)動(dòng)電路流向地，所以這部分電量也損耗掉了，稱其為驅(qū)動(dòng)損耗。

圖7 ?MOSFET關(guān)斷釋放電荷

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開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗

開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗計(jì)算公式如下：

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VCC轉(zhuǎn)換器損耗

開關(guān)管N MOSFET Q1的驅(qū)動(dòng)電路由控制芯片中的VCC轉(zhuǎn)換器供電，VCC轉(zhuǎn)換器通常為線性穩(wěn)壓器，存在較大效率損失，同時(shí)由于上管源極電壓浮動(dòng)，需要自舉電路提供浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓，此處存在一定效率損失。 開關(guān)管N MOSFET Q2，類似，但無自舉電路損耗。邏輯電路和放大器等的損耗可以由芯片靜態(tài)電流Iq計(jì)算。 VCC轉(zhuǎn)換器損耗計(jì)算公式如下：

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案例計(jì)算

下面以MP9928同步整流控制芯片為例，計(jì)算其Demo板 12V轉(zhuǎn)5V 521kHz FCCM模式時(shí)的工作效率。我們可以在手冊(cè)中找到芯片的原理框圖，結(jié)合功能描述，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部VCC轉(zhuǎn)換器存在兩種供電方式，這里按從芯片電源輸入端IN 供電的方式計(jì)算芯片的損耗。

圖8 MP9928 VCC電源路徑

計(jì)算損耗所需要的公式如下，由于上下管 MOSFET 參數(shù)一致，可以對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行化簡(jiǎn)：

從手冊(cè)中找到計(jì)算所需的柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓、芯片靜態(tài)電流、死區(qū)時(shí)間。

圖9 MP9928 芯片參數(shù)

通過瀏覽EV9928的手冊(cè)查得其所用 MOSFET 、電感、采樣電阻的型號(hào)，再瀏覽其對(duì)應(yīng)的手冊(cè)，獲得對(duì)應(yīng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓和漏極電源電壓情況下MOSFET的導(dǎo)通電阻Rds(on)和柵極驅(qū)動(dòng)電荷Qg以及電感的直流導(dǎo)通電阻Rdc。

圖10 ?MOSFET柵極電荷和導(dǎo)通電阻

圖11 電感直流導(dǎo)通電阻

MOSFET實(shí)際的開關(guān)時(shí)間需要在電路中測(cè)試，此處選用MOSFET手冊(cè)中數(shù)據(jù)作為參考。

圖12 ?MOSFET開關(guān)時(shí)間

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效率計(jì)算結(jié)果分析

MP9928 評(píng)估板的效率計(jì)算結(jié)果與真實(shí)條件下的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如下：

圖13 EV9928效率曲線

可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算的出來的效率略高于測(cè)試結(jié)果，可能是因?yàn)閾p耗導(dǎo)致的發(fā)熱進(jìn)一步影響了器件的參數(shù)，但總體來說結(jié)果具有較高可信度。 若需進(jìn)一步分析非線性參數(shù)對(duì)損耗的影響，可以參考MPS電源小課堂往期視頻《合適的比例，讓效率曲線更加完美》。 分析計(jì)算結(jié)果中各損耗來源所占百分比：

圖14 EV9928損耗來源

可以發(fā)現(xiàn)輕載時(shí)的損耗主要來源于芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路損耗以及MOSFET驅(qū)動(dòng)損耗，而重載時(shí)主要來自于MOSFET、電感、采樣電阻等的導(dǎo)通損耗、以及MOSFET的開關(guān)損耗和死區(qū)時(shí)間內(nèi)下管體二極管續(xù)流時(shí)的損耗。

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工作狀態(tài)對(duì)效率的影響

進(jìn)一步對(duì)MP9928?評(píng)估板進(jìn)行效率測(cè)試：

圖15 EV9928不同工作模式下的效率曲線

可以發(fā)現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)損耗，主要影響輕載效率，開關(guān)頻率對(duì)輕載效率影響較大，和計(jì)算結(jié)果推算一致。

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關(guān)于提升Buck電路效率的建議

對(duì)于大多數(shù) MPS Buck 穩(wěn)壓器，高側(cè)MOSFET、高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器、低側(cè)MOSFET、低側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器(僅用于同步 Buck 變換器)、 VCC Regulator、邏輯和控制電路集成在一個(gè)芯片中。因此，選擇開合適的開關(guān)頻率、低側(cè)二極管(僅用于非同步Buck變換器)以及電感是降低功率損耗的關(guān)鍵。通常給出以下建議:

開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。選擇合適的頻率可以優(yōu)化開關(guān)損耗和大小。

低側(cè) MOSFET (僅適用于同步轉(zhuǎn)換器)：對(duì)于高輸出電流應(yīng)用，推薦使用低 Rds(on) 的 MOSFET來降低低端 MOSFET的導(dǎo)通損耗。對(duì)于高輸入電壓應(yīng)用，推薦使用低 Qg 的 MOSFET來降低 Vcc Regulator損耗。

選擇較小Ciss、Crss、Qg等寄生參數(shù)的高側(cè)MOSFET來減少開關(guān)損耗，其Rds(on)可以比低側(cè)MOSFET大。

續(xù)流二極管(只適用于非同步轉(zhuǎn)換器)：為了減少續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗，建議采用低正向?qū)妷憾O管；選擇反向恢復(fù)速度快的二極管，減小反向恢復(fù)損耗。

建議采用低直流電阻的電感器，以減少電感器的導(dǎo)通損耗

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經(jīng)過上面的學(xué)習(xí)，相信工程師朋友們已經(jīng)對(duì)Buck電路的功耗來源和計(jì)算有了大致的了解。

優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)，在這個(gè)能源問題日益突出的環(huán)境里，也變得愈加重要。通過選擇合適的架構(gòu)、器件和參數(shù)，可以讓我們每個(gè)工程師都能參與其中，為能源節(jié)約貢獻(xiàn)出一份力，你做好準(zhǔn)備了嗎？

審核編輯：黃飛

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