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DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表——計(jì)算系統(tǒng)損耗

2016-08-03
作者：Akshay Mehta

　　歡迎回到DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表博客系列。在本系列最后一期文章中，我將討論DC/DC穩(wěn)壓器元件的傳導(dǎo)損耗。

　　傳導(dǎo)損耗是由設(shè)備寄生電阻阻礙直流電流在DC/DC轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)產(chǎn)生的。傳導(dǎo)損耗與占空比有直接關(guān)系。當(dāng)集成上橋臂MOSFET打開后，負(fù)載電流就會從其中通過。漏-源通道電阻(RDSON)產(chǎn)生的功率耗散可以用公式1表示：

1.png

　　其中D =2.png  = 占空比

　　對于LM2673這樣的非同步設(shè)備，在集成MOSFET關(guān)閉時(shí)，二極管被正向偏置。在此期間，電感電流通過輸出電容器、負(fù)載和正向偏置二極管降低。負(fù)載電流流過二極管產(chǎn)生的功率耗散可以用公式2表示：

3.png

　　其中VF是選定二極管的正向電壓降。

　　除了集成MOSFET與鉗位二極管中的傳導(dǎo)損耗，電感器中也有傳導(dǎo)損耗，因?yàn)槊恳粋€(gè)電感器都有有限的直流電阻（DCR），即線圈中導(dǎo)線的電阻。公式3表示電感器中的功率耗散：

4.png

　　傳導(dǎo)損耗取決于負(fù)載電流。負(fù)載增大時(shí)，MOSFET中的傳導(dǎo)損耗會增加，而且是主要損耗因素。傳導(dǎo)損耗及開關(guān)、驅(qū)動和內(nèi)部低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的損耗會產(chǎn)生很多的熱量，增加集成電路（IC）的結(jié)溫。增加的結(jié)溫可以用公式4表示：

5.png

　　其中ICTj是IC的結(jié)溫，TA是環(huán)境溫度，θJA是IC到空氣的熱阻，ICPd是IC中總功率耗散。

　　MOSFET的RDSON通常有一個(gè)溫度系數(shù)(RdsonTco)。當(dāng)IC的結(jié)溫升高時(shí)，RDSON會在溫度系數(shù)的基礎(chǔ)上超出額定值。數(shù)據(jù)表可能不含有這一參數(shù)，而TI的WEBENCH Power Designer軟件可以提供這一信息，并用以計(jì)算設(shè)計(jì)效率，讓計(jì)算結(jié)果更精確。公式5可以根據(jù)結(jié)溫調(diào)整RDSON：

6.png

　　其中RdsonNom是數(shù)據(jù)表中 RDSON的額定值。

　　RDSON的增加取決于設(shè)備的散熱性能和結(jié)溫。不正確的散熱可能導(dǎo)致RDSON的大幅增加，引起最大負(fù)載效率的大幅下降。當(dāng)IC的芯片貼裝焊盤（DAP）與IC板上的焊接不正確時(shí)，就會出現(xiàn)上述情況。

　　計(jì)算損耗是一個(gè)迭代過程。評估結(jié)溫和每次迭代計(jì)算IC電源損耗相應(yīng)的RDSON，才能得到精確的效率結(jié)果。WEBENCH Power Designer能很好的處理這一過程；還能顯示被動元件損耗的計(jì)算結(jié)果。了解這些損耗是非常重要的，因?yàn)檫@可以幫助選擇正確的元件和DC/DC穩(wěn)壓器，以保持良好的效率?？倐鲗?dǎo)損耗可以用公式6表示：

7.png

　　眾觀所有損耗，公式7對其進(jìn)行加總得到總損耗：

8.png

　　公式8得到的是DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)效率：

9.png

　　圖1是LM2673在不同輸入電壓時(shí)的負(fù)載電流曲線對應(yīng)的整體效率。可以注意到負(fù)載電流低時(shí)，效率會降低；從文章的第1和第2部分可以知道，這是開關(guān)損耗以及驅(qū)動與LDO的損耗造成的。還需注意在最大負(fù)載電流時(shí)，輸入電壓 (VIN)越高效率越低，這是因?yàn)殡妷涸礁唛_關(guān)損耗就越高。負(fù)載電流在1A以上時(shí)，低VIN效率會相對較高，因?yàn)殚_關(guān)損耗降低。

10.png

　　圖1：LM2673效率

　　至此，我關(guān)于數(shù)據(jù)表中效率的三篇博客文章就全部結(jié)束了?，F(xiàn)在，您應(yīng)當(dāng)能夠理解DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中不同元件的損耗。根據(jù)你的應(yīng)用需求，你現(xiàn)在可以清楚地確定何時(shí)選擇DC/DC穩(wěn)壓器及其開關(guān)頻率、散熱電路板空間，以及何時(shí)選擇二極管和電感器等被動元件。選擇SIMPLE SWITCHER DC/DC穩(wěn)壓器，在WEBENCH 電源設(shè)計(jì)工具中開始進(jìn)行設(shè)計(jì)吧。

　　其他信息：

　　了解更多可調(diào)節(jié)電流限制LM2673易電源3A降壓穩(wěn)壓器。

　　閱讀《直流/直流轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表——系統(tǒng)效率揭秘》。

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