buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)

Buck电路的损耗,主要发生在功率路径上,也就是较大电流通过的器件上:MOSFET、电感、二极管(非同步控制器)。

根据Buck电路的几个工作阶段,我们分别讨论MOSFET的损耗

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(1)

第一个阶段:上管打开的过程:

在开关过程中产生的损耗,MOSFET处于放大区,下管关闭几乎没有电流。

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(2)

在上管打开过程中,上管的电压Vds不断减小,电流Ids不断增加。我们简单的可以认为是线性增减。此时输出电流处于谷底,最小值。如果近似的看成是电流平均值即输出电流值,则可以简单计算如下:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(3)

如果需要考虑电流纹波,则计算公式如下:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(4)

第二个阶段:上管完全导通、下管关闭。

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(5)

上管MOSFET处于打开状态,上MOSFET等效于一个电阻即为MOSFET的导通阻抗Rds(on),Rds(on)上面流经电流的损耗。此时,下管没有电流,功耗全部集中在上管上。

打开的时间是由占空比决定的:上管打开的时间约等于T*D。

电流近似计算时,可以看作就是Buck电源的输出电流。如果细算起来,就需要考虑在上管打开过程中,电流是逐步变大的,我们需要对这个电流增大的过程进行积分计算,考虑到电流逐步变大的过程。

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(6)

如果电流纹波足够小,我们可以近似认为上管打开过程电流没变化。则这个计算非常容易,就是直接计算,就可以:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(7)

如果纹波带来的影响不可忽略,则我们需要进行积分运算。我们从开始开启的电流进行积分,即最小电流处,积分到最大电流处。此处运用牛顿-莱布尼兹公式,计算定积分。

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(8)

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(9)

第三个阶段,上管关闭的过程

上管打开的过程和关闭的过程是类似的计算方法,此处只是电流为整个周期的最大值,因为经历了一个充电的过程,电流此时处于峰值。另外就是上管关闭的时间,会与上管打开的时间不一样。我们计算公式如下:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(10)

第四个阶段,此时上管已经完全关闭,下管暂时还没有打开,称为死区时间

我们需要理解,任何控制器都需要控制避免上下管同时打开,如果出现这个状态,则非常可能烧管,因为相当于通过上下管把输入电源和GND进行了短路。

为了避免这种状态,只好在上管关闭之后,等待一个时间段,再对下管进行打开的操作。而在两个MOSFET都关闭的状态,我们就称为死区时间。这个时间,主要依赖下管的寄生二极管进行续流,实现输出电流的一个回路。

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(11)

此时的功耗,就是下管的寄生二极管的功耗,也就是二极管的正向导通压降乘以此时的电流。在开关开关的过程中,会有两个阶段经历死区时间,所以下管的死区时间功耗计算公式如下:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(12)

第五阶段,下管导通

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(13)

导通功耗,因为很显然下管的功耗是在电流通过MOS的DS沟道之间的电阻(rDS(ON))产生的。下面公式可估算下MOS管的导通功耗。

下管的导通损耗,近似的可以看作是:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(14)

如果考虑纹波,可以用以下公式进行计算:

buck电路参数的例子(Buck电路功耗计算上)(15)

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