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【電子分享】開關(guān)電源IC耗散功率計(jì)算-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2022-04-25 

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【電子分享】開關(guān)電源IC耗散功率計(jì)算-KIA MOS管


很多時(shí)候,選擇了一個(gè)DC-DC電源的控制芯片,有些人覺得開關(guān)電源的效率很高,不再取考慮芯片的耗散功率的問題,這些有時(shí)候使用過程中發(fā)現(xiàn),開關(guān)電源的控制IC很燙,覺得不可理解,怎么感覺想LDO一樣發(fā)燙呢?


原因往往是因?yàn)殚_關(guān)電源的控制IC也是存在耗散功率的,只是這個(gè)功率很小,不容易引起工程師的注意,所以在選擇IC的時(shí)候,也不考慮IC的封裝,甚至IC的熱阻也沒有關(guān)注,所以在電源帶載較重的情況或者輸入輸出電壓相差較大情況下,IC的耗散功率加大,從而引起了發(fā)熱問題。


DC-DC的電源芯片主要存在兩種耗散功率,第一種是開關(guān)損耗,第二種是傳導(dǎo)損耗。


一、開關(guān)損耗

開關(guān)損耗,指的是在芯片內(nèi)部,上臂的MOS管或者下臂管的MOS管再打開和關(guān)閉的器件產(chǎn)生的功耗。如圖一的顯示兩種開關(guān)電源控制芯片內(nèi)部架構(gòu),以BUCK的方式為例。


開關(guān)電源 IC 耗散功率

圖一 TI的LM25017和ETA的2842開關(guān)電源芯片示意圖


可以看到,控制SW輸出的存在上和下,兩個(gè)MOS管,上邊我們俗稱上臂的MOS,下邊的俗稱下臂的MOS。LM25017的是一個(gè)同步整流的開關(guān)電源芯片,如果是非同步的,那么下臂的MOS管會(huì)由一個(gè)續(xù)流的二極管代替。


同步整流的IC,效率會(huì)高,但是價(jià)格會(huì)貴。ETA的2842的芯片就是非同步的IC,可以看到,外部是加了一個(gè)二極管。


那么假設(shè)計(jì)算LM25017的開關(guān)損耗,我們?nèi)绾芜M(jìn)行呢?

第一步,獲取IC中的開關(guān)頻率和上臂、下臂的MOS打開和關(guān)閉時(shí)間。


IC的開關(guān)頻率,一般都是確定的,手冊(cè)一般會(huì)給出,LM25017是1Mhz。打開和關(guān)閉時(shí)間這個(gè)一般在手冊(cè)中也會(huì)有。見圖二,TI LM25017的手冊(cè)對(duì)于MOS打開和關(guān)閉時(shí)間計(jì)算。


開關(guān)電源 IC 耗散功率

圖二 MOS管打開和關(guān)閉時(shí)間


可以看到,Vin對(duì)應(yīng)不同的Vgs,會(huì)影響打開時(shí)間,關(guān)閉時(shí)間只統(tǒng)計(jì)了一個(gè),應(yīng)該是Vgs對(duì)關(guān)閉時(shí)間影響不大。那么根據(jù)你實(shí)際使用的Vin情況,得到一個(gè)打開時(shí)間。我們?nèi)in=32V,Ton取典型值,Ton=350ns。


還有一種情況,IC的廠商很LOW,這個(gè)打開和關(guān)閉時(shí)間,沒有給出來,那怎么辦??梢赃@樣估算,根據(jù)IC的內(nèi)部調(diào)整PWM的開關(guān)頻率的時(shí)間,管子的打開和關(guān)閉時(shí)間取這個(gè)頻率時(shí)間的1/6或者1/8.比如IC的開關(guān)頻率是1Mhz,那么不管你占空比多少,它一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間就是1us。那么我們?nèi)〈蜷_和關(guān)閉時(shí)間是周期時(shí)間的1/8,那就是125ns,1/6就是161ns。


第二步,計(jì)算打開和關(guān)閉時(shí)刻的峰值電流Ipeak。這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算稍微復(fù)雜,我們慢慢來。


Ipeak=Iout+△IL÷2,其中Iout就是你實(shí)際輸出到負(fù)載的電流。

△I指的是在電感L中的開關(guān)電流,除以2是因?yàn)?,△IL是峰峰值,一般取平均值做有效值處理。


因?yàn)镮L的電流信號(hào)在電感表現(xiàn)是上升和下降過程,但是不管是上升時(shí)間和下降時(shí)間是多少,總要回到原來的平衡點(diǎn),不會(huì)超一個(gè)方向走,因?yàn)檫@樣不能達(dá)到平衡,比如你總是往上走,那么經(jīng)過多次充電和放電,電流IL要沖破天了?這不可能,所以他是在一個(gè)平衡點(diǎn)上充放電。


見圖三,電感電流IL1和SW的波形。

開關(guān)電源 IC 耗散功率

圖三 LM25017測(cè)試的IL1和SW波形


所以,你可以實(shí)際測(cè)量電感的電流Ipeak的值是多少。但是很多時(shí)候,我們還沒有用這個(gè)芯片,怎么取測(cè)量這個(gè)Ipeak,每次都跟供應(yīng)商拿DOMO板也是不現(xiàn)實(shí)的。所以可以根據(jù)一定的設(shè)計(jì)來進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)有一點(diǎn)復(fù)雜,請(qǐng)耐心看完。


公式:

開關(guān)電源 IC 耗散功率


不過這存在一個(gè)問題,是我們的L1,電感的值都沒有確定,所以也根本無(wú)法確定△IL。而且很多時(shí)候,電感的取值都是先假定△IL是0.3倍的Iout。


所以就假定△IL是我們認(rèn)為的0.3倍的△IL,這樣假設(shè)是認(rèn)為我們外圍的電流設(shè)計(jì)是能滿足要求,比如Cout,L的電感量等。


所以在這基礎(chǔ)上,計(jì)算出L的值是多少。這時(shí)候我們?cè)侔选鱅L放大到0.5倍的Iout,即△IL=0.5Iout。所以Ipeak=Iout+0.25Iout。


第三步,計(jì)算再M(fèi)OS打開和關(guān)閉過程的等效Vds和Ids。因?yàn)镸OS從不打開到完全打開,Vds是變化的,從最開始的Vin到最后的接近0V,Ids也從0A到輸出的Ipeak。


那么這里會(huì)存在曲線的關(guān)系,主要是根據(jù)MOS的V-I曲線,也就是伏安曲線決定的,不同時(shí)間下,Vds和Ids的關(guān)系。這里會(huì)存在兩個(gè)積分,一個(gè)是對(duì)Vds的積分,還有一個(gè)是對(duì)Ids的積分,所以比較復(fù)雜。


因?yàn)镸OS存在計(jì)生電容,等效的內(nèi)阻,還存在死區(qū)期間,所以很多分析和計(jì)算,電容充電時(shí)間等。比如下面圖四的等效情況。


開關(guān)電源 IC 耗散功率

圖四 MOS管寄生參數(shù)等效圖


這里就不去牽扯很多分析,告訴一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的值,就是用都取1/2*D來進(jìn)行等效計(jì)算,D是占空比。BUCK 電路中,D=Vout/Vint。


那么可以計(jì)算打開和關(guān)閉的耗散功率。一個(gè)周期中上臂MOS管打開的耗散功率為:Pon=1/2*D*U*I*t=Vin*Ipeak*Ton/Fsw。下臂MOS管打開的耗散功率為Poff=1/2*D*U*I*t=Vin*Ipeak*Toff/Fsw。Fsw就是IC開關(guān)的頻率。


這樣,我們得到了打開和關(guān)閉時(shí)IC的耗散功率。如果是非同步的IC,那么Poff的功率就不需要計(jì)算,因?yàn)檫@部分功率損耗再續(xù)流的二極管上面,跟IC是沒有關(guān)系的。


按照上面計(jì)算的方式已經(jīng)包括這部分的功耗,因?yàn)閺S家給的打開和關(guān)閉時(shí)間是考慮了這個(gè)死區(qū)和充電時(shí)間的。


二、傳導(dǎo)損耗

開關(guān)損耗計(jì)算完畢,那么接下來計(jì)算傳導(dǎo)損耗。這個(gè)傳導(dǎo)損耗就很好計(jì)算了。


再M(fèi)OS管打開的時(shí)候,內(nèi)阻就是Rds的阻值,這個(gè)芯片的手冊(cè)都會(huì)給出來具體的值。如圖5 TI 給出LM25017中MOS的Rds的值。


開關(guān)電源 IC 耗散功率

圖五 LM25017 MOS中Rds的值


可以看到,MOS的RDS的是0.8歐姆的典型值,真的挺大的。有一些IC還會(huì)具體給出上臂和下臂的MOS的Rds。而且需要注意的是,Rds是會(huì)隨溫度,Vgs變化的,一般來說,溫度越高,Rds越大,Vgs越大,Rds越小。所以IC如果發(fā)熱,沒有達(dá)到熱平衡,隨著Rds的增大,電流不變情況下,溫度還繼續(xù)上升,想想是不是IC會(huì)很燙?


傳導(dǎo)損耗就可以計(jì)算出來了,P=I*I*Rds。兩個(gè)管子分別計(jì)算Pon=Ipeak*Ipeak*0.8。Poff=Ipeak*Ipeak*0.8。自己再跟進(jìn)Rds隨溫度和Vgs變化曲線,取合適的值。


最后,IC的耗散功率P=P1(開關(guān)損耗)+P2(傳導(dǎo)損耗)。這樣如評(píng)估IC的發(fā)熱程度和耗散功率情況。如LM25017,Vin=24V,Vout=5V,F(xiàn)sw是1Mhz,輸出Iout=1A,Rds是0.8歐姆,Ipeak是1.25A,D=(Vout/V int)。


那么開關(guān)損耗P1=Pon+Poff,Pon=Poff=D*D*1/2*1/2*24V*1.25A*350ns/1us=0.114W,P1=0.114W,傳導(dǎo)損耗P2=1.25W+1.25=2.5W,P=P1+P2=2.614W.可以看到計(jì)算下來的耗散功率還是很大的。


LM25017沒有給具體的耗散功率大小,我們可以通過結(jié)溫來進(jìn)行評(píng)估。規(guī)格書上結(jié)溫最大能承受125℃,而且熱阻(外殼對(duì)空氣)是41℃/W,那么在2.614W的耗散功率下,結(jié)溫T=25℃+41℃/W*2.614W=132.174℃.


可以看到,溫度是超標(biāo)的,說明這個(gè)僅僅是空氣散熱將會(huì)有問題,如果使用,需要注意散熱。耗散功率,芯片Rds太大了,所以導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗過大。




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