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如何设计高效、高可靠和高功率密度的同步降压稳压器

2017-06-16 16:40 来源:安森美 作者:鸿运国际网址网
2、计算MOSFET的损耗 在计算损耗前,需要先了解MOSFET在同步降压稳压器中的工作机制。图1所示为简化的稳压器的功率电路原理图,其中Q1为控制管,Q2为同步管。 Picture1 图1:简化的稳压器的功率电路原理图 同步降压稳压器主要有3种工作状态,其开关顺序是A-B-C-B-A,如图2所示。 Picture2 图2:同步降压稳压器的开关顺序 状态A:控制管导通,输入电流经过控制管、电感传送到输出端。 状态B:控制管和同步管同时关断,电感储能通过同步管的寄生二极管放电,传送到输出端。 状态C:同步管导通,电感储能通过同步管放电,传送到输出端。 MOSFET的功耗包括控制管和同步管的导通损耗(PCOND)、控制管的开关损耗PSW、同步管的开关损耗、控制管和同步管的栅极驱动损耗PRgate。在140kHz频率下导通损耗几乎占总功耗的70%。随着频率升高,总功耗中逐渐以开关损耗(PSW)为主。 1). 控制管Q1的损耗计算 Q1工作在硬开关条件下,在小占空比或高频(>MHz)时以开关损耗为主,开关性能受同步管Q2影响:快速di/dt可导致反向恢复损耗增加,快速dv/dt有可能引起Q2误导通, 造成Q1、Q2直通现象,导致额外的损耗。另外,值得注意的是,由Q2体二极管导致的反向恢复损耗、Q2输出电容导致的输出电容损耗主要耗散于控制管Q1上 [Ref. 1,2]。因此,在计算Q1的开关损耗和温度时必须综合考虑到Q2的影响。另外,Q1的导通阻抗随结温上升而上升。结温越高,导通阻抗越高,导通损耗就越高, 使得结温进一步上升。因此,对Q1的导通损耗必须循环反复计算,直到管子的温度计算结果稳定下来。 对于高频应用(>MHz),控制管Q1的选用应针对降低开关损耗进行优化。Q1损耗的计算公式如下: QQ截图20170616162418 Q1的导通损耗PCOND随输入电压(VIN)增加而降低,开关损耗PSW随VIN增加而增加,栅极驱动损耗PRgate与VIN无关。当VIN为最大或最小时,Q1的总损耗最大。 2). 同步管Q2的损耗计算 Q2工作在零电压开关(ZVS)条件下,当Fsw<1.5 MHz时通常以导通损耗为主。在选择Q2时,建议选用: Ø 具有低FOM(低Rds_on x Qgs)的MOSFET,以降低Q2的总损耗 Ø 低Qgd/Qgs 比率(<1)以防止快速dv/dt引起Q1、Q2的直通现象 Ø 对于高频应用,选用集成肖特基体二极管的MOSFET,以降低反向恢复损耗以及二极管导通损耗 Q2的损耗计算公式如下: QQ截图20170616162438 Q2的导通损耗PCOND随VIN升高而增加,开关损耗PSW只是随着VIN升高而略微增加。而Q2的寄生二极管导通损耗PDcond和栅极驱动损耗PRgate都与VIN无关。因此,当VIN为最大时,Q2损耗最大。 综上所述,当VIN为最大或最小时,Q1+Q2总的损耗最大。进行计算时,必须同时考虑Q1和Q2的相互影响。
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