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。
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（CGD）、源極電容（CGS）和漏電容（CDS），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。
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（CISS）充放電的結果。輸入電容基本上是CGS和密勒電容（CGD）相加所得。柵極電荷（QG）是源極電荷（QGS）和柵漏電荷（QGD）相加所得。MOSFET的柵極電荷是需要完全開啟MOSFET的電荷。
圖3：柵極電荷和密勒平台
MOSFET驅動器提供電流（ICC），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QG等參數。因此，你需要在實驗台上以不同的方式估算ICC。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ICC電流。ICC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（VCC）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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