【導(dǎo)讀】市面上售有各種類型的穩(wěn)壓器，但很難選擇一款直流/直流穩(wěn)壓器。大多數(shù)汽車應(yīng)用都要求在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率，因?yàn)樗鼈円恢痹诤碾?。但話又說回來，許多工業(yè)應(yīng)用在高負(fù)載時(shí)需要高效率，而在輕負(fù)載時(shí)，效率并不是很重要。因此必須了解直流/直流穩(wěn)壓器中的損耗。閱讀直流/直流轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中提供的效率曲線時(shí)也萌生了一些問題，比如“為什么在輕負(fù)載時(shí)功率較低呢？”“為什么在重負(fù)載時(shí)功率會(huì)下降呢？”在該系列博客中，我會(huì)以SWITCHER® LM2673 3A降壓穩(wěn)壓器為例，嘗試將系統(tǒng)效率解析成不同的組件損耗。
圖1所示為評(píng)估模塊（EVM）示意圖。
圖1：設(shè)計(jì)原理圖
柵極電荷和IC損耗
在諸如LM2673的典型非同步降壓穩(wěn)壓器中，功耗部件包括集成電路、電感器和箝位二極管。穿過輸入和輸出電容和寄生等效串聯(lián)電阻（ESR）的均方根（RMS）電流非常低；因此，你可以忽略這些組件的損耗。
由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，每個(gè)MOSFET在其端子之間都有一些寄生電容。它們是柵漏電容（CGD）、源極電容（CGS）和漏電容（CDS），如圖1所示。電容值視MOSFET尺寸、裝配和其它工藝參數(shù)而有所不同。理想的MOSFET過渡時(shí)間為零，與此不同的是，這些寄生電容具有有限的開關(guān)時(shí)間，如圖2所示。
圖2：MOSFET的寄生電容
如圖3所示，有限的開關(guān)時(shí)間是輸入電容（CISS）充放電的結(jié)果。輸入電容基本上是CGS和密勒電容（CGD）相加所得。柵極電荷（QG）是源極電荷（QGS）和柵漏電荷（QGD）相加所得。MOSFET的柵極電荷是需要完全開啟MOSFET的電荷。
圖3：柵極電荷和密勒平臺(tái)
MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供電流（ICC），您可以使用公式1進(jìn)行估算：
其中，F(xiàn)SW是指直流/直流穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。
對(duì)于像LM2673一樣具有集成高側(cè)MOSFET的轉(zhuǎn)換器來講，數(shù)據(jù)表中并未列出QG等參數(shù)。因此，你需要在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上以不同的方式估算ICC。啟動(dòng)設(shè)備后，斷開負(fù)載，測(cè)量輸入電流。在未連接載荷的情況下，該輸入電流測(cè)量基本上測(cè)量ICC電流。ICC電流也稱為工作靜態(tài)電流。請(qǐng)參考“其他資源”部分中的鏈接，了解更多信息。
為了更準(zhǔn)確地計(jì)算，可以使用德州儀器的WEBENCH® Power Designer軟件。WEBENCH Power Designer具有所有內(nèi)部MOSFET參數(shù)的信息，因此在計(jì)算損耗時(shí)可將這些考慮在內(nèi)。
如等式1所示，電流直接與開關(guān)頻率（FSW）成正比。由于MOSFET驅(qū)動(dòng)器在提供該電流，驅(qū)動(dòng)器中會(huì)有損耗。驅(qū)動(dòng)電壓（VCC）由內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器（LDO）設(shè)置。驅(qū)動(dòng)器中的損耗以等式2表示：
因?yàn)橹绷?直流穩(wěn)壓器內(nèi)的LDO提供該電流，在LDO中也會(huì)有功耗。此功耗通過等式3表示：
如果將等式2和等式3相加，可以得出LDO和驅(qū)動(dòng)器（等式4）的總功耗：
因此，輸入電壓越高，損耗也會(huì)增加。此外，柵極電荷直接影響開關(guān)損耗。如果內(nèi)部MOSFET具有較大的寄生電容，那么所得的柵極電荷將會(huì)更大；在開關(guān)轉(zhuǎn)換所花費(fèi)的時(shí)間也將會(huì)更長(zhǎng)。因此會(huì)增加開關(guān)損耗。
在本系列的下一篇文章中，我將解釋柵極電荷如何與MOSFET的開關(guān)損耗相關(guān)；輕負(fù)載效率如何依賴于這些損耗；以及總損耗如何影響直流/直流穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)損耗和整體效率。
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