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開關電源的功率损耗及热耗估算值-开关损耗产生的过程解析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-19 

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開關電源 功率损耗 热耗

开关模式电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。開關電源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而開關電源就进行两者之间电压及电流的转换。


開關電源不同于線性電源,開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區)及全閉模式(截止區)之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節省能源,産生廢熱較少。理想上,開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在産生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區,本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點,而且因爲開關電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。


若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較複雜,內部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚加以處理,可能會産生噪聲及電磁幹擾影響其他設備,而且若開關電源沒有特別設計,其電源功率因數可能不高。

電源在爲負載提供能量的同時也在燃燒自己,在電源設計時大家會很仔細的去分析負載的需求,但是容易忽略電源芯片或者其外圍器件的熱耗,對電源熱耗的評估的目的是爲了保證電源始終工作在一個安全的狀態(不會被熱保護或者燒毀)。評估熱耗的第一步工作是計算電源方案的耗散功率(被損耗掉的功率),評估耗散功率有兩種方法,黑盒和白盒。


一、黑盒方式評估電源的耗散功率

電源芯片及外圍的器件的熱耗占電源的輸入總功率的比例就是電源的效率,所以我們可以從電源的效率反推得到電源的耗散功率,如圖1.1。

開關電源,功率损耗,热耗

图 1.1 电源的功率传输


由圖1.1推導得知耗散功率的計算公式如下:

開關電源,功率损耗,热耗


上圖是從效率和輸出功率Po反推得到耗散功率的。爲什麽要選擇輸出功率而不是輸入功率呢?因爲輸出功率的數據比較容易取得,就是負載的實際需求,相比之下輸入電壓的範圍比較寬泛,所以輸入功率比較難定量得到。

那麽電源效率的數據如何去獲取呢?很簡單,如果是線性穩壓器,那麽效率就是輸出電壓與輸入電壓的比值(V0/Vin),因爲輸出電流約等于輸入電流;如果是開關電源,電源效率可以估爲85%,如需要更爲精確可以查芯片規格書的圖表,如圖1.2示例。

開關電源,功率损耗,热耗

图 1.2 某电源芯片的效率图表示意


二、白盒方式計算電源的耗散功率

線性穩壓器的原理單純且多爲集成模塊,所以了解如何使用黑盒方式計算耗散功率一般已經足夠。相比之下開關電源的集成度較弱,所以有時候需要分解子模塊且單獨計算其耗散功率,這就是所謂的白盒模式。本文均以Buck爲例,其它拓補形式可自行類推。

在BUCK電路的技術演變過程中出現了兩個小分支,同步Buck與非同步Buck。兩者的外觀差異明顯很好區分,有上下兩個MOSFET管的Buck叫同步Buck;只有上管MOSFET,續流管是肖特基二極管的Buck叫做非同步Buck。同步Buck是後面發展出來的技術,使用MOSFET來代替續流二極管降低了導通壓降,所以提升了電源效率,當然需要額外增加一套MOSFET驅動電路成本有所上升。

開關電源,功率损耗,热耗

图1.3 同步与非同步Buck


開關電源損耗

開關電源的損耗主要由兩大塊組成,路徑損耗與開關損耗。


1、路徑損耗(傳導損耗):大電流路徑上的內阻上的損耗。以BUCK爲例,路徑損耗包括上臂MOSFET的內阻損耗,電感的寄生阻抗(DCR)上的損耗及下臂MOSFET或者續流二極管上的損耗。


2、開關損耗:開通和關閉MOSFET過程中的損耗,與開關頻率成正比。


一、理解開關損耗

路徑損耗比較好理解,很直觀,我們來著重介紹一下開關損耗的産生原因。如圖1.4所示,上橋臂MOSFET的漏極連接至Vin,而源極連接至相位節點。當上橋臂開始開啓時,下橋臂MOSFET的體二極管(非同步BUCK同理)會將相位點箝位爲低于地電壓(負壓)。這種很大的漏-源電壓差及且上橋臂MOSFET也以開關方式傳輸轉換器的完全負載電流,所以在開關過程中産生了開關損耗。

開關電源,功率损耗,热耗

图1.4 Buck的开关损耗示意

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图1.5 MOSFET的寄生电容


圖1.5是MOSFET的寄生電容示意,圖1.6是上橋臂MOSFET的開關損耗圖形,這是理想圖形並假設柵極電流是恒定的。開關損耗的産生機理與MOSFET的寄生電容相關。

開關電源,功率损耗,热耗

图1.6 上桥臂MOSFET的理想开关损耗图形


開關損耗産生過程詳細分析:


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, 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(Miller Plateau)。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。==>VGS电平进入僵持阶段,MOSFET通道的深度加强,VDS压差下降,损耗递减,为转折点。


4、在超出时间段 t3 时,MOSFET 通道增强,最高至 VGS达到其最大值的电压点。开关损耗已经停止,传导损耗开始出现,直到上桥臂 MOSFET 关闭为止。关闭事件的情形是非常类似的,以开启事件的相反形式发生。===>VGS电平突破僵持继续上升,MOSFET的通道继续增强,开关损耗退出舞台,传导损耗登场。


MOSFET的關閉過程的損耗與上述描述類似,步驟相反而已,所以開關損耗包括開啓和關閉兩部分,經提煉計算公式如下。

開關電源,功率损耗,热耗


同步Buck還有一個下臂MOSFET,但是它是接近零電壓開啓的也就是沒有像上管那樣會有巨大的Vds壓差,所以下臂MOSFET的開關損耗是不被討論。


(二)、傳導損耗的計算

1)、MOSFET的傳導損耗,上下臂MOSFET的表述一致只是所占時間段不一樣,用占空比區分。


上臂MOSFET的傳導損耗:

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下臂MOSFET的傳導損耗(只針對同步Buck):

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2)、續流二極管的傳導損耗(只針對非同步Buck)

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VFD爲續流二極管的正向導通壓降。


3)、電感損耗

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請注意,該功率損耗並不取決于占空比,因爲電感總是進行傳導。


(三)、其它損耗的分析

MOSFET除了開關和傳導損之外,還有少量損耗由于其它因素引起的,因爲所占比重較低,所以在非精確計算時一般被忽略。

1)、對柵極寄生電容充電引起的損耗,上下臂MOSFET的計算方式一致,公式如下:

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2)、同步Buck的下臂MOSFET的體二極管的反向恢複損耗:

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3)、每個開關周期對上下臂MOSFET的輸出電容Coss(Cgd+Cds)進行充電引起的損耗:

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4)、当同步降压转换器中的两个开关均关闭时,下桥臂 MOSFET 的体二极管将开启。在此期间(称为死区(Dead Time,DT)),体二极管中将出现传导损耗。这些损耗可以描述为:

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请注意,该公式中的 DT 包含上升沿和下降沿之和。


5)、芯片本身損耗

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三、黑盒和白盒的協同

白盒和黑盒两种计算方式各有千秋,黑盒方式虽简单粗暴但是有效,白盒方式虽精打细算但是很多参数无法精确获得。譬如 RDS(ON) 取决于器件的结温,而损耗会使结温升高,为了得到精确的结果,需要进行迭代计算,这些迭代必须执行到器件的结温稳定(通常到 < 1%)为止,这无疑增加了计算的复杂性和难度。


在工程應用中,我們需要避免複雜的計算公式,所以比較簡便實用的方式是先用黑盒的方式計算得到電源的整體耗散功率,然後使用白盒方式計算外圍關鍵器件的耗散功率,兩者相減就是在芯片上耗散的功率,然後再根據熱電阻等參數進行熱耗分析。開關電源的關鍵外圍器件一般就是電感、續流二極管或MOSFET,所以計算比較簡單。


四、熱耗分析

耗散功率的計算最後需要換算爲熱耗才會有實際意義,這是是否需要額外增加散熱措施的參考依據。


耗散功率與熱耗之間的聯系紐帶是熱阻,如圖1.7與1.8所示。


開關電源,功率损耗,热耗

图1.7 无散热片的热阻


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圖1.8 帶散熱片的熱阻計算


在進行熱耗分析時,根據內核至環境的熱阻Rja及芯片的耗散功率Pd可估算出芯片在特定的環境溫度Ta下的內核溫度Tj,以芯片的內核溫度Tj是否超過了極值Tjmax作爲判斷芯片是否安全的依據。計算公式如下:

開關電源,功率损耗,热耗


開關電源主要用途

開關電源産品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣淨化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽産品,安防監控,LED燈帶,電腦機箱,數碼産品和儀器類等領域。


開關電源基本組成部分

開關電源大致由主電路、制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。


1、主電路

沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側的沖擊電流。

輸入濾波器:其作用是過濾電網存在的雜波及阻礙本機産生的雜波反饋回電網。

整流與濾波:將電網交流電源直接整流爲較平滑的直流電。

逆變:將整流後的直流電變爲高頻交流電,這是高頻開關電源的核心部分。

輸出整流與濾波:根據負載需要,提供穩定可靠的直流電源。


2、控制電路

一方面從輸出端取樣,與設定值進行比較,然後去控制逆變器,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩定,另一方面,根據測試電路提供的數據,經保護電路鑒別,提供控制電路對電源進行各種保護措施。


3、檢測電路

提供保護電路中正在運行中各種參數和各種儀表數據。


4、輔助電源

實現電源的軟件(遠程)啓動,爲保護電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。


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