开关电源损耗知识点之开关电源产品各个部分的损耗计算.doc

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1、开关电源损耗知识点之开关电源产品各个部分的损耗计算　　学电源电源看这里，这次我们分享一下开关电源“功率损耗”及“热耗”的工程估算！　　电源在为负载提供能量的同时也在燃烧自己，在电源设计时大家会很仔细的去分析负载的需求，但是容易忽略电源芯片或者其外围器件的热耗，对电源热耗的评估的目的是为了保证电源始终工作在一个安全的状态（不会被热保护或者烧毁）。评估热耗的第一步工作是计算电源方案的耗散功率（被损耗掉的功率），评估耗散功率有两种方法，黑盒和白盒。　　一、黑盒方式评估电源的耗散功率　　电源芯片及外围的器件的热耗占电源的

2、输入总功率的比例就是电源的效率，所以我们可以从电源的效率反推得到电源的耗散功率，如图1.1。　　　　图1.1电源的功率传输　　由图1.1推导得知耗散功率的计算公式如下：　　　　式1.1是从效率和输出功率Po反推得到耗散功率的。为什么要选择输出功率而不是输入功率呢？因为输出功率的数据比较容易取得，就是负载的实际需求，相比之下输入电压的范围比较宽泛，所以输入功率比较难定量得到。　　那么电源效率的数据如何去获取呢？很简单，如果是线性稳压器，那么效率就是输出电压与输入电压的比值(V0/Vin)，因为输出电流约等于输入电流

3、；如果是开关电源，电源效率可以估为85%，如需要更为精确可以查芯片规格书的图表，如图1.2示例。　　　　图1.2某电源芯片的效率图表示意　　二、白盒方式计算电源的耗散功率　　线性稳压器的原理单纯且多为集成模块，所以了解如何使用黑盒方式计算耗散功率一般已经足够。相比之下开关电源的集成度较弱，所以有时候需要分解子模块且单独计算其耗散功率，这就是所谓的白盒模式。本文均以Buck为例，其它拓补形式可自行类推。　　在BUCK电路的技术演变过程中出现了两个小分支，同步Buck与非同步Buck。两者的外观差异明显很好区分，有上

4、下两个MOSFET管的Buck叫同步Buck；只有上管MOSFET，续流管是肖特基二极管的Buck叫做非同步Buck。同步Buck是后面发展出来的技术，使用MOSFET来代替续流二极管降低了导通压降，所以提升了电源效率，当然需要额外增加一套MOSFET驱动电路成本有所上升。　　　　图1.3同步与非同步Buck　　开关电源的损耗主要由两大块组成，路径损耗与开关损耗。　　1、路径损耗（传导损耗）：大电流路径上的内阻上的损耗。以BUCK为例，路径损耗包括上臂MOSFET的内阻损耗，电感的寄生阻抗(DCR)上的损耗及下臂

5、MOSFET或者续流二极管上的损耗。　　2、开关损耗：开通和关闭MOSFET过程中的损耗，与开关频率成正比。　　（一）、理解开关损耗　　路径损耗比较好理解，很直观，我们来着重介绍一下开关损耗的产生原因。如图1.4所示，上桥臂MOSFET的漏极连接至Vin，而源极连接至相位节点。当上桥臂开始开启时，下桥臂MOSFET的体二极管（非同步BUCK同理）会将相位点箝位为低于地电压（负压）。这种很大的漏-源电压差及且上桥臂MOSFET也以开关方式传输转换器的完全负载电流，所以在开关过程中产生了开关损耗。　　　　图1.4Bu

6、ck的开关损耗示意　　　　图1.5MOSFET的寄生电容　　图1.5是MOSFET的寄生电容示意，图1.6是上桥臂MOSFET的开关损耗图形，这是理想图形并假设栅极电流是恒定的。开关损耗的产生机理与MOSFET的寄生电容相关。　　　　图1.6上桥臂MOSFET的理想开关损耗图形　　开关损耗产生过程详细分析：　　1、在时间段t1开始时，当MOSFET驱动器开始向MOSFET的栅极提供电流时，VGS（MOSFET的栅-源电压）开始上升。在此期间，将对输入电容Ciss（CGS+CGD）进行充电，而VDS（MOSFET的

7、漏-源电压）保持恒定。此时不存在漏-源电流，因此，在此期间没有开关损耗。==>VGS小于阈值，MOSFET未开启，无损耗。　　2、在时间段t2开始时，VGS电压超出栅-源阈值电压（VGS(TH)）。电流开始从漏极流向源极，同时Ciss继续充电。该电流将线性上升，直到Ids等于电感电流IL为止。由于MOSFET上存在等于VIN的电压降，并且电流Ids流过器件，所以此期间存在显著的开关损耗。==>VGS大于阈值，MOSFET开闸，损耗递增，顶点为输出电流正好满足负载需求处。　　3、在时间段t3期间，Ids电流保持恒定

8、，Vds电压开始下降。虽然漏-源电压在下降，但几乎所有的栅极电流都于对CGD进行充电。由于几乎没有栅极电流用于对CGS充电，所以栅-源电压在一个称为“开关点”电压（VSP）的电压下保持相对平坦。该区域通常称为米勒平坦区（MillerPlateau）。在此时间段期间，类似于t2，也存在漏-源电压降，并且有显著电流流过器件。因此，t3是开关周期会产生损耗的一个时间段。==>V