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Buck开关电源损耗如何估算？

1590 BUCK

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2021-10-11 08:18:13　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 7 个回答。邀请回答 elecfans 该类别下有 7 个回答。邀请回答飞雪9366 该类别下有 6 个回答。邀请回答冰箱洗衣机该类别下有 6 个回答。邀请回答 lifei639156 该类别下有 6 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 6 个回答。邀请回答 szj0213 该类别下有 6 个回答。邀请回答 60user103 该类别下有 6 个回答。邀请回答 dsgfa 该类别下有 6 个回答。邀请回答细水爱长流该类别下有 6 个回答。邀请回答深海零下一度1 该类别下有 6 个回答。邀请回答 mingodong 该类别下有 6 个回答。邀请回答 h1654155199.5148 该类别下有 6 个回答。邀请回答 ZQW发烧友该类别下有 6 个回答。邀请回答安立路该类别下有 6 个回答。邀请回答国名英雄XXX 该类别下有 6 个回答。邀请回答 douyin8 该类别下有 5 个回答。邀请回答 iettke 该类别下有 5 个回答。邀请回答笑尽往事该类别下有 5 个回答。邀请回答 zaichenxi 该类别下有 5 个回答。邀请回答举报发烧友推温针相关推荐 • 开关电源内部的损耗有哪些？通常会在什么情况下出现？ 1159 • 开关电源内部的损耗有哪些 1478 • 求BUCK-BOOST型开关电源型号 3645 • 开关电源在工作时，产生的损耗都有哪些？ 4258 • 开关电源buck电路输出电压步进可调 5614 • 开关电源拓扑结构有那几种？有什么特点？ 1781 • 请教一下大神什么是开关电源的三大损耗呢？ 1916 • BUCK开关电源主电路选择器件的问题 4030 • 如何进行开关电源的设计？ 1905 • 一个古老的开关电源电路问题！求解惑！ 4691 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 PART1：前言本文以一个12V-2.5V/2A的DC-DC电源为例，阐述BUCK电路损耗产生及其估算算法。先做以下几点声明： 1、开关电源的主功率开关管的工作区域：开区和关区，实际上是线性区（可变电阻区）和截至区，一定注意，不是饱和区和截止区。解释1：MOS工作区域的划分可以根据Vds与Vgs-Vth的大小关系判定（Vds表示漏源电压），具体如下：当然，处于线性和饱和区之间，归结在任意一区域即可。关于为什么开关电源功率管是工作在线性区和截止区的原因有：【1】线性区时，Vds较小，相对损耗也较小，相反饱和区Vds较大；【2】线性区时，具有较小的交流阻抗，即电压变化引起的电流变化较大，这样，才符合开关电源工作时，电感电流线性变化的趋势（电感储能阶段电流线性上升），而饱和区MOS具有恒流特性（尽管存在沟道调制效应，但是前提依然是在恒流前提缓慢增加电流跟随于Vds增加，但这增长速度不足以匹配电感电流增长速度）；【3】所谓饱和区，实际上对应BJT的放大区，根据对偶特点，BJT为电流控制型器件，电流饱和的原因是由于Uce达到一定后集电区收集电子的能力饱和；而MOS为电压（电场）控制型器件，电流饱和的原因是载流子速度饱和（I=Qdv，v不再增加进而I恒定饱和）。 2、对于BUCK变换器，越小的duty（输出电压越低，即输入输出压差越大），那么二极管所在续流回路产生的损耗越大。 PART2：开关电源损耗估算算法这里介绍的方法不仅针对于BUCK变换器，但对于其他拓扑结构，分析方法大同小异，这里抛砖引玉，不作具体的推导。图1是典型BUCK电路的原理图，现作以下说明：以及各关键波形如下图2所示： [1]电感电流iL，峰值为Ip，谷值电流Iv； [2]S为主功率开关管，正向导通压降Vsw_top，导通内阻为Rsw_top（主要为了区分同步整流时下管S_bot）； [3]开关频率为Fs，周期为Ts，占空比D； [4]续流二极管D的正向压降为VF；开关电源的损耗主要包括开关器件和二极管的传导损耗（导通损耗）以及开关损耗（交叉损耗或者动态损耗、开关损耗），当然还有在L、C上的传导损耗（等效DCR和ESR上的损耗）。【1】上管S的损耗 [1-1]S上的传导损耗，主要由duty期间，S正向导通产生；* （由于公式不能编辑，以下公式部分采用截图方式） [1-2]S上的交叉损耗，在开关交替的短暂时间内，由于开启和关闭的延迟效应，导致Uds和Id波形存在交叉三角形区域，进而造成交叉损耗（关断时的Vds和导通后的Ids），在交叉时间间隔内，MOS开启延迟时间ton，关闭延迟toff，如下图3所示；但在实际估算时，最好于不用占空比的百分比来计算。【2】续流二极管损耗分析： [2-1]传导损耗： [2-2]交叉损耗：附注：正常开关管+二极管的BUCK结构的损耗由上给出，特别地，当采用同步整理拓扑结构时，下管也是MOS，记为Bot_MOS，损耗分析计算同上管。【3】储能元件损耗分析：即电感和电流的损耗分析，主要是传导损耗，类似地， PART3：实例分析以下以本人设计的一款开关电源demo板为例，由于是高压差DC-DC，在效率分析时，首先进行损耗分析计算尤为重要。以下是本次设计的相关参数：【1】VIN=12V，Vo=2.5V，Io_tot=2A，采用Lt8650s-1主芯片设计实现，由于采用的是两相并联输出，故平均每一通道，Io=1A；【2】该芯片内部采用同步整流结构，上管top_mos参数：Vsw_top_max=0.3V，Isw_top_max=12A，以rds_top=0.3/12=0.025下管bot_mos参数：Vsw_top_max=0.12V，Isw_top_max=8.5A，rds_bot=0.12/8.5=0.014【3】Fs=2MHz，D=2.5/2=0.21【4】查找电感手册知rL+rC=0.02【5】电感电流波动以75%分析，即Ip=1.75A，Iv=0.25A【6】L=1uH，则上升阶段（12-2.5）/1=9.5，下降阶段2.5/1=2.5【7】ton+toff占最小导通时间的25%，为30ns0.25=7.5ns 可见，开关电源中MOS损耗中动态损耗占主要，尤为表现在高频时。而在本次设计中，实物的调试数据如下，得到效率为：注意：上述推导过程中，开关时间ton+toff，这里采用的估算算法不应该用占空比的百分比来估算，因为在不同应用中占空比是会发生变化的，作为比较准确的估算方法，应该利用MOS的最小导通时间的百分比进行估算，因为一般地最小导通时间为固定值，相应地 ton+toff也为一个固定值。本文给出2A时的最小导通时间为30ns，取25%则得到300.25=7.5ns，而实际计算采用的是9ns。但实际中该估算不一定很准确，所以在精确估算时需要考究估算的准确性。为了验证该法的正确性，对比官方手册中的数据精确损耗分析。如下图5，是官方手册上给定的参考输出效率值。 Case1：12-5/2A输出，Fs=2MHz，ηmax=94.6%。使用本文算法进行估算，具体求解过程如下：可知，计算值94.06%与手册上94.6%十分接近。 Case2：12-5/4A输出可知，计算值92.56%与手册上93.3%比较接近。上述开关延迟时间总和计算。因为该参数在芯片手册中没有直接给出，手册只给了开关时间上升沿时间约为2ns，则估算值ton=3ns，toff=2*ton=6ns，共计9ns。

2021-10-11 15:59:49 评论举报牛晓渊