開(kāi)關(guān)電源的功率損耗及熱耗估算值-開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的過(guò)程解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-19
開(kāi)關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱SMPS），又稱交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。
開(kāi)關(guān)電源不同于線性電源，開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過(guò)調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來(lái)達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過(guò)程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會(huì)消耗電能。開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開(kāi)關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小，重量也會(huì)比較輕。
若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源比線性電源要好。不過(guò)開(kāi)關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會(huì)頻繁切換，若切換電流尚加以處理，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。
電源在為負(fù)載提供能量的同時(shí)也在燃燒自己，在電源設(shè)計(jì)時(shí)大家會(huì)很仔細(xì)的去分析負(fù)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(duì)電源熱耗的評(píng)估的目的是為了保證電源始終工作在一個(gè)安全的狀態(tài)（不會(huì)被熱保護(hù)或者燒毀）。評(píng)估熱耗的第一步工作是計(jì)算電源方案的耗散功率（被損耗掉的功率），評(píng)估耗散功率有兩種方法，黑盒和白盒。
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。
圖 1.1 電源的功率傳輸
由圖1.1推導(dǎo)得知耗散功率的計(jì)算公式如下：
上圖是從效率和輸出功率Po反推得到耗散功率的。為什么要選擇輸出功率而不是輸入功率呢？因?yàn)檩敵龉β实臄?shù)據(jù)比較容易取得，就是負(fù)載的實(shí)際需求，相比之下輸入電壓的范圍比較寬泛，所以輸入功率比較難定量得到。
那么電源效率的數(shù)據(jù)如何去獲取呢？很簡(jiǎn)單，如果是線性穩(wěn)壓器，那么效率就是輸出電壓與輸入電壓的比值(V0/Vin)，因?yàn)檩敵鲭娏骷s等于輸入電流；如果是開(kāi)關(guān)電源，電源效率可以估為85%，如需要更為精確可以查芯片規(guī)格書的圖表，如圖1.2示例。
圖 1.2 某電源芯片的效率圖表示意
線性穩(wěn)壓器的原理單純且多為集成模塊，所以了解如何使用黑盒方式計(jì)算耗散功率一般已經(jīng)足夠。相比之下開(kāi)關(guān)電源的集成度較弱，所以有時(shí)候需要分解子模塊且單獨(dú)計(jì)算其耗散功率，這就是所謂的白盒模式。本文均以Buck為例，其它拓補(bǔ)形式可自行類推。
在BUCK電路的技術(shù)演變過(guò)程中出現(xiàn)了兩個(gè)小分支，同步Buck與非同步Buck。兩者的外觀差異明顯很好區(qū)分，有上下兩個(gè)MOSFET管的Buck叫同步Buck；只有上管MOSFET，續(xù)流管是肖特基二極管的Buck叫做非同步Buck。同步Buck是后面發(fā)展出來(lái)的技術(shù)，使用MOSFET來(lái)代替續(xù)流二極管降低了導(dǎo)通壓降，所以提升了電源效率，當(dāng)然需要額外增加一套MOSFET驅(qū)動(dòng)電路成本有所上升。
圖1.3 同步與非同步Buck
開(kāi)關(guān)電源的損耗主要由兩大塊組成，路徑損耗與開(kāi)關(guān)損耗。
1、路徑損耗（傳導(dǎo)損耗）：大電流路徑上的內(nèi)阻上的損耗。以BUCK為例，路徑損耗包括上臂MOSFET的內(nèi)阻損耗，電感的寄生阻抗(DCR)上的損耗及下臂MOSFET或者續(xù)流二極管上的損耗。
2、開(kāi)關(guān)損耗：開(kāi)通和關(guān)閉MOSFET過(guò)程中的損耗，與開(kāi)關(guān)頻率成正比。
路徑損耗比較好理解，很直觀，我們來(lái)著重介紹一下開(kāi)關(guān)損耗的產(chǎn)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(jié)點(diǎn)。當(dāng)上橋臂開(kāi)始開(kāi)啟時(shí)，下橋臂MOSFET的體二極管（非同步BUCK同理）會(huì)將相位點(diǎn)箝位為低于地電壓（負(fù)壓）。這種很大的漏-源電壓差及且上橋臂MOSFET也以開(kāi)關(guān)方式傳輸轉(zhuǎn)換器的完全負(fù)載電流，所以在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)損耗。
圖1.4 Buck的開(kāi)關(guān)損耗示意
圖1.5 MOSFET的寄生電容
圖1.5是MOSFET的寄生電容示意，圖1.6是上橋臂MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗圖形，這是理想圖形并假設(shè)柵極電流是恒定的。開(kāi)關(guān)損耗的產(chǎn)生機(jī)理與MOSFET的寄生電容相關(guān)。
圖1.6 上橋臂MOSFET的理想開(kāi)關(guān)損耗圖形
開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生過(guò)程詳細(xì)分析：
1、在時(shí)間段t1開(kāi)始時(shí)，當(dāng)MOSFET驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始向MOSFET的柵極提供電流時(shí)，VGS（MOSFET 的柵 - 源電壓）開(kāi)始上升。在此期間，將對(duì)輸入電容 Ciss（CGS + CGD）進(jìn)行充電，而 VDS（MOSFET 的漏 - 源電壓）保持恒定。此時(shí)不存在漏 - 源電流，因此，在此期間沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗。==>VGS小于閾值，MOSFET未開(kāi)啟，無(wú)損耗。
2、在時(shí)間段 t2 開(kāi)始時(shí)， VGS 電壓超出柵 - 源閾值電壓（VGS(TH)）。電流開(kāi)始從漏極流向源極，同時(shí) Ciss繼續(xù)充電。該電流將線性上升，直到 Ids 等于電感電流 IL 為止。由于 MOSFET 上存在等于 VIN 的電壓降，并且電流Ids 流過(guò)器件，所以此期間存在顯著的開(kāi)關(guān)損耗。==>VGS大于閾值，MOSFET開(kāi)閘，損耗遞增，頂點(diǎn)為輸出電流正好滿足負(fù)載需求處。
3、在時(shí)間段 t3 期間， Ids 電流保持恒定， Vds 電壓開(kāi)始下降。雖然漏 - 源電壓在下降，但幾乎所有的柵極電流都于對(duì) CGD 進(jìn)行充電。由于幾乎沒(méi)有柵極電流用于對(duì) CGS充電，所以柵 - 源電壓在一個(gè)稱為“開(kāi)關(guān)點(diǎn)”電壓（VSP）的電壓下保持相對(duì)平坦。該區(qū)域通常稱為米勒平坦區(qū)（Miller Plateau）。在此時(shí)間段期間，類似于 t2，也存在漏 - 源電壓降，并且有顯著電流流過(guò)器件。因此，t3 是開(kāi)關(guān)周期會(huì)產(chǎn)生損耗的一個(gè)時(shí)間段。==>VGS電平進(jìn)入僵持階段，MOSFET通道的深度加強(qiáng)，VDS壓差下降，損耗遞減，為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
4、在超出時(shí)間段 t3 時(shí)，MOSFET 通道增強(qiáng)，最高至 VGS達(dá)到其最大值的電壓點(diǎn)。開(kāi)關(guān)損耗已經(jīng)停止，傳導(dǎo)損耗開(kāi)始出現(xiàn)，直到上橋臂 MOSFET 關(guān)閉為止。關(guān)閉事件的情形是非常類似的，以開(kāi)啟事件的相反形式發(fā)生。===>VGS電平突破僵持繼續(xù)上升，MOSFET的通道繼續(xù)增強(qiáng)，開(kāi)關(guān)損耗退出舞臺(tái)，傳導(dǎo)損耗登場(chǎng)。
MOSFET的關(guān)閉過(guò)程的損耗與上述描述類似，步驟相反而已，所以開(kāi)關(guān)損耗包括開(kāi)啟和關(guān)閉兩部分，經(jīng)提煉計(jì)算公式如下。
同步Buck還有一個(gè)下臂MOSFET，但是它是接近零電壓開(kāi)啟的也就是沒(méi)有像上管那樣會(huì)有巨大的Vds壓差，所以下臂MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗是不被討論。
1）、MOSFET的傳導(dǎo)損耗，上下臂MOSFET的表述一致只是所占時(shí)間段不一樣，用占空比區(qū)分。
上臂MOSFET的傳導(dǎo)損耗:
下臂MOSFET的傳導(dǎo)損耗（只針對(duì)同步Buck）:
2）、續(xù)流二極管的傳導(dǎo)損耗(只針對(duì)非同步Buck)
VFD為續(xù)流二極管的正向?qū)▔航怠?/span>
3）、電感損耗
請(qǐng)注意，該功率損耗并不取決于占空比，因?yàn)殡姼锌偸沁M(jìn)行傳導(dǎo)。
MOSFET除了開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損之外，還有少量損耗由于其它因素引起的，因?yàn)樗急戎剌^低，所以在非精確計(jì)算時(shí)一般被忽略。
1）、對(duì)柵極寄生電容充電引起的損耗，上下臂MOSFET的計(jì)算方式一致，公式如下：
2）、同步Buck的下臂MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)損耗：
3）、每個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)上下臂MOSFET的輸出電容Coss（Cgd+Cds)進(jìn)行充電引起的損耗：
4）、當(dāng)同步降壓轉(zhuǎn)換器中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)均關(guān)閉時(shí)，下橋臂 MOSFET 的體二極管將開(kāi)啟。在此期間（稱為死區(qū)（Dead Time，DT）），體二極管中將出現(xiàn)傳導(dǎo)損耗。這些損耗可以描述為：
請(qǐng)注意，該公式中的 DT 包含上升沿和下降沿之和。
5）、芯片本身?yè)p耗
白盒和黑盒兩種計(jì)算方式各有千秋，黑盒方式雖簡(jiǎn)單粗暴但是有效，白盒方式雖精打細(xì)算但是很多參數(shù)無(wú)法精確獲得。譬如 RDS(ON) 取決于器件的結(jié)溫，而損耗會(huì)使結(jié)溫升高，為了得到精確的結(jié)果，需要進(jìn)行迭代計(jì)算，這些迭代必須執(zhí)行到器件的結(jié)溫穩(wěn)定（通常到 < 1%）為止，這無(wú)疑增加了計(jì)算的復(fù)雜性和難度。
在工程應(yīng)用中，我們需要避免復(fù)雜的計(jì)算公式，所以比較簡(jiǎn)便實(shí)用的方式是先用黑盒的方式計(jì)算得到電源的整體耗散功率，然后使用白盒方式計(jì)算外圍關(guān)鍵器件的耗散功率，兩者相減就是在芯片上耗散的功率，然后再根據(jù)熱電阻等參數(shù)進(jìn)行熱耗分析。開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵外圍器件一般就是電感、續(xù)流二極管或MOSFET，所以計(jì)算比較簡(jiǎn)單。
耗散功率的計(jì)算最后需要換算為熱耗才會(huì)有實(shí)際意義，這是是否需要額外增加散熱措施的參考依據(jù)。
耗散功率與熱耗之間的聯(lián)系紐帶是熱阻，如圖1.7與1.8所示。
圖1.7 無(wú)散熱片的熱阻
圖1.8 帶散熱片的熱阻計(jì)算
在進(jìn)行熱耗分析時(shí),根據(jù)內(nèi)核至環(huán)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(huán)境溫度Ta下的內(nèi)核溫度Tj，以芯片的內(nèi)核溫度Tj是否超過(guò)了極值Tjmax作為判斷芯片是否安全的依據(jù)。計(jì)算公式如下：
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽(tīng)產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈帶，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。
開(kāi)關(guān)電源大致由主電路、制電路、檢測(cè)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(cè)的沖擊電流。
輸入濾波器：其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。
整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。
逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分。
輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。
2、控制電路
一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。
3、檢測(cè)電路
提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。
4、輔助電源
實(shí)現(xiàn)電源的軟件（遠(yuǎn)程）啟動(dòng)，為保護(hù)電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。
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