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直流/直流轉換器數據表——係統效率揭秘

發布時間：2021-01-14 責任編輯：wenwei

【導讀】市麵上售有各種類型的穩壓器，但很難選擇一款直流/直zhi流liu穩wen壓ya器qi。大da多duo數shu汽qi車che應ying用yong都dou要yao求qiu在zai整zheng個ge負fu載zai範fan圍wei內nei保bao持chi高gao效xiao率lv，因yin為wei它ta們men一yi直zhi在zai耗hao電dian。但dan話hua又you說shuo回hui來lai，許xu多duo工gong業ye應ying用yong在zai高gao負fu載zai時shi需xu要yao高gao效xiao率lv，而er在zai輕qing負fu載zai時shi，效xiao率lv並bing不bu是shi很hen重zhong要yao。因yin此ci必bi須xu了le解jie直zhi流liu/直流穩壓器中的損耗。閱讀直流/直流轉換器數據表中提供的效率曲線時也萌生了一些問題，比如“為什麼在輕負載時功率較低呢？”“為什麼在重負載時功率會下降呢？”在該係列博客中，我會以SWITCHER® LM2673 3A降壓穩壓器為例，嚐試將係統效率解析成不同的組件損耗。

圖1所示為評估模塊（EVM）示意圖。

直流/直流轉換器數據表——係統效率揭秘

圖1：設計原理圖

柵極電荷和IC損耗

在諸如LM2673的典型非同步降壓穩壓器中，功耗部件包括集成電路、電感器和箝位二極管。穿過輸入和輸出電容和寄生等效串聯電阻（ESR）的均方根（RMS）電流非常低；因此，你可以忽略這些組件的損耗。

由於結構關係，每個MOSFET在其端子之間都有一些寄生電容。它們是柵漏電容（C_GD）、源極電容（C_GS）和漏電容（C_DS），如圖1所示。電容值視MOSFET尺寸、裝配和其它工藝參數而有所不同。理想的MOSFET過渡時間為零，與此不同的是，這些寄生電容具有有限的開關時間，如圖2所示。

直流/直流轉換器數據表——係統效率揭秘

圖2：MOSFET的寄生電容

如圖3所示，有限的開關時間是輸入電容（C_ISS）充放電的結果。輸入電容基本上是C_GS和密勒電容（C_GD）相加所得。柵極電荷（Q_G）是源極電荷（Q_GS）和柵漏電荷（Q_GD）相加所得。MOSFET的柵極電荷是需要完全開啟MOSFET的電荷。

直流/直流轉換器數據表——係統效率揭秘

圖3：柵極電荷和密勒平台

MOSFET驅動器提供電流（I_CC），您可以使用公式1進行估算：

其中，FSW是指直流/直流穩壓器的開關頻率。

對於像LM2673一樣具有集成高側MOSFET的轉換器來講，數據表中並未列出Q_G等參數。因此，你需要在實驗台上以不同的方式估算I_CC。啟動設備後，斷開負載，測量輸入電流。在未連接載荷的情況下，該輸入電流測量基本上測量I_CC電流。I_CC電流也稱為工作靜態電流。請參考“其他資源”部分中的鏈接，了解更多信息。

為了更準確地計算，可以使用德州儀器的WEBENCH® Power Designer軟件。WEBENCH Power Designer具有所有內部MOSFET參數的信息，因此在計算損耗時可將這些考慮在內。

如等式1所示，電流直接與開關頻率（FSW）成正比。由於MOSFET驅動器在提供該電流，驅動器中會有損耗。驅動電壓（V_CC）由內部低壓差穩壓器（LDO）設置。驅動器中的損耗以等式2表示：

因為直流/直流穩壓器內的LDO提供該電流，在LDO中也會有功耗。此功耗通過等式3表示：

如果將等式2和等式3相加，可以得出LDO和驅動器（等式4）的總功耗：

因此，輸入電壓越高，損耗也會增加。此外，柵極電荷直接影響開關損耗。如果內部MOSFET具有較大的寄生電容，那麼所得的柵極電荷將會更大；在開關轉換所花費的時間也將會更長。因此會增加開關損耗。

在本係列的下一篇文章中，我將解釋柵極電荷如何與MOSFET的開關損耗相關；輕負載效率如何依賴於這些損耗；以及總損耗如何影響直流/直流穩壓器的傳導損耗和整體效率。

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