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同步整流降壓轉換器的損耗探討

關鍵字 :同步整流降壓轉換器

在平常設計電源的過程中，我們常會使用到同步整流降壓轉換器與非同步整流降壓轉換器來幫助我們達成整流降壓的目的，隨著同步整流降壓轉換器電路逐漸成為設計電源的好幫手，整流降壓轉換器電路的損耗成為設計者需要特別留意的部分。 

本篇讓我們一起針對同步整流降壓轉換器的損耗來做探討。首先，我們來看一下同步整流降壓轉換器發生損耗的部位。然後一起對部分的損耗進行探討。

 

同步整流降壓轉換器的損耗發生部位

下面是同步整流降壓轉換器的電路簡圖以及發生損耗的位置。關於發生位置，用紅色簡稱來表示。

PONH是上緣MOSFET導通時的導通電阻帶來的導通損耗。

PONL是下緣MOSFET導通時的導通電阻帶來的導通損耗。

PSW是MOSFET的開關損耗。

Pdead_time是空滯時間損耗。當上緣和下緣MOSFET同時導通時，VIN和GND處於接近短路的狀態，為了避免這種情況，幾乎所有的控制IC在上緣和下緣的導通/關閉開關時，都會設有兩者都關閉的一點點時間，這就是“空滯時間”。為了安全起見是需要空滯時間的，但會成為損耗。

PIC是電源用IC（在這裡為功率電晶體外接同步整流降壓轉換器用控制IC）的電源電流。基本上是IC本身消耗的電流，是自身消耗電流。

PGATE是外接MOSFET的閘極電荷損耗。原則上MOSFET的閘極是不流過電流的，但需要用來驅動閘極電容的電荷，這會成為損耗。需要同時考慮上緣和下緣。

Pchock是輸出電感的DCR、直流電阻帶來的傳導損耗。

將這些損耗全部加在一起就是同步整流降壓轉換器的損耗。

損耗合計P＝PCON＋PSW＋Pdead_time＋PIC＋PGATE＋Pchock

  PCON：MOSFET導通時的導通電阻帶來的導通損耗
  PSW：開關損耗
  Pdead_time：空滯時間損耗
  PIC：IC自身功率損耗
  PGATE：閘極電荷損耗
  Pchock：電感的DCR帶來的傳導損耗

如今，我們瞭解了同步整流降壓轉換器的損耗發生位置，也介紹了轉換器整體的損耗是各部位的損耗之和。接下來，我們將開始探討各部位的損耗計算方法。首先我們來談談MOSFET導通時的傳導損耗。

MOSFET導通時的導通損耗

MOSFET導通時的導通損耗是因著上緣和下緣MOSFET導通時的導通電阻（RDS(ON)）帶來的，在這裡使用以下符號來表示。

 PCON：MOSFET導通時的導通電阻帶來的導通損耗，分為上緣MOSFET的導通損耗(PCONH)與下緣MOSFET的導通損耗(PCONL)。

導通電阻是表示MOSFET特性的重要參數之一，並且MOSFET一定存在導通電阻。因此顯而易見，具有電阻的導體中會有電流流過，而這部分會產生損耗。

下面來求MOSFET的導通損耗。下面電路圖中的ICONH（紅色）表示上緣MOSFET導通時的電流。ICONL（藍色）為下緣MOSFET導通時的電流。波形圖中的LX是開關節點的電壓波形，ICONH和ICONL是伴隨著開關的各電流波形，IL是電感電流，這是一個標準型範例。

在同步整流中，上緣開關導通時下緣開關會關閉，下緣導通時上緣會關閉。開關節點波形的紅色部分表示流過IONH，藍色部分表示流過IONL。也就是說，這期間流過MOSFET的電流和MOSFET的導通電阻帶來的功率損耗成為各自的導通損耗。以下為計算公式示例。

可以看出，結果是根據歐姆定律，Io2、R乘以導通期間後的值。電流模型使用了平均電流Io。

 

那接下來，讓我們開始探討開關節點產生的開關損耗。


開關損耗

顧名思義，開關損耗就是開關工作相關的損耗。在這裡使用PSW這個符號來表示。

簡單地說，同步整流降壓轉換器的同步開關 （上緣＋下緣） 是對VIN和GND電壓進行開關（ON/OFF），該暫態時間的功率乘以開關頻率後的值即開關損耗。請參考下列波形圖的LX。順便提一下，完全ON或OFF期間的損耗是我們先前的段落中介紹過的導通損耗。

PSW可通過下列公式計算出來。

以上升和下降時間為底邊、以VIN為高度的三角形部分的功率是損耗功率。上升/下降越快，暫態時間的損耗越少，但由於存在開關頻率的因素，要想降低開關損耗，必須考慮到開關的暫態時間和開關頻率這兩種因素。

再來，讓我們一起探討開關節產生的空滯時間損耗。

空滯時間損耗

空滯時間損耗是指在空滯時間中因下緣開關（MOSFET）體二極體的正向電壓和負載電流而產生的損耗。在這裡使用Pdead_time這個符號來表示。

同步整流方式是上緣開關和下緣開關交替ON/OFF。理想的開關狀態是兩邊的開關不會同時ON或同時OFF。然而在實際運行過程中這種理想狀態是很難的，而且，為了安全運行還特意設定了兩邊開關同時OFF的期間。將這個期間稱為“空滯時間”。這裡提到“為了安全運行”是因為如果兩邊的開關同時ON的話，通常會有被稱為“直通電流”、“Shoot Through”、“Flow-through Current”等的電流通過上緣開關和下緣開關從VIN流向GND。很容易想像，這與VIN和GND短路的狀態幾乎相同，大電流流過，開關MOSFET可能損壞。為了避免這種情況，會在同步整流式DC/DC轉換IC中配置一種控制電路，使兩邊的開關不同時導通（ON），即兩邊先關閉（OFF）之後相應的開關導通。

下面再回到空滯時間的話題。在空滯時間內，兩邊的開關是OFF的，所以無論從哪邊開關到輸出端應該都不會有電流流過。然而，實際的開關是MOSFET，MOSFET中有被稱為“本體二極體”的寄生二極體。下圖中連接在MOSFET漏源極之間的二極體就是本體二極體。

兩邊的開關為OFF狀態時，下緣MOSFET的體二極體相對於負載電流是正向的，電流通過這個本體二極體流向負載。該損耗＝Pdead_time可利用下列公式計算出來。

從公式中可以看出，無論哪項越小損耗都會越少。

 

在本篇中我們一同探討了MOSFET的導通損耗、MOSFET的開關損耗、以及為了運作安全所設立空滯時間的損耗，下一篇我們將繼續探討關於同步整流降壓轉換器中控制IC的損耗與驅動閘極的損耗以及因為電感帶來的傳導損耗。

 

 

文獻參考 - 網站資源

 

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