同步降壓DC/DC 變換器的損耗分析

王英靜，紀(jì) 飛，劉尚江，管 月

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

0 引 言

同步降壓DC/DC 變換器采用的整流管是具有低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET。該整流管相較于傳統(tǒng)的肖特基二極管，不存在由肖特基勢(shì)壘電壓而造成的死區(qū)電壓[1]，可以有效降低整流損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，特別適用于低壓、大電流的應(yīng)用，如ASIC 和FPGA 內(nèi)核電源[2-3]。

基于LTC3855 控制器，本文設(shè)計(jì)了一種雙通道輸出的同步降壓DC/DC 變換器，變換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括輸入電壓源VIN、輸入電容CIN、控制器LTC3855、功率開(kāi)關(guān)管Q1、同步整流管Q2、儲(chǔ)能電感L和輸出電容COUT。LTC3855 是一款雙通道、多相、電流模式、同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，用于驅(qū)動(dòng)N 溝道功率MOSFET，可支持突發(fā)模式、脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式[4]。默認(rèn)電路采用DCR 電流檢測(cè)方式，處于強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式。

圖1 同步降壓DC/DC 變換器的基本結(jié)構(gòu)

變換器的工作原理為：功率開(kāi)關(guān)管Q1和同步整流管Q2在脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)控制下，交替地導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷時(shí)，輸入電壓加到電感的左端，使流過(guò)電感上的電流線性地增加，電感儲(chǔ)存的能量也增加，電流路徑如圖2a）所示；當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時(shí)，由于電感電流不能突變，因此電感上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，以維持電感上的電流不突變，儲(chǔ)存在電感中的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能，電感上的電流線性減小，輸出電容放電與電感電流疊加為負(fù)載供電[5]，電流路徑如圖2b）所示。

圖2 降壓DC/DC 變換器的工作原理

根據(jù)變換器的組成和工作原理，變換器的損耗主要包括電感損耗、功率開(kāi)關(guān)管損耗、同步整流管損耗、電容損耗和控制器損耗。

1 電感損耗

電感是電抗元件，自身不消耗能量，但是由于寄生參數(shù)的影響，存在一定的功率損耗。電感損耗包括線圈損耗和磁芯損耗[6]。線圈損耗是由線圈的直流電阻（DCR）導(dǎo)致的，可用下式估算：

式中IL是平均電感電流。對(duì)于降壓變換器，平均電感電流IL與負(fù)載電流IO相等。

磁芯損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗[7]。磁芯損耗與磁芯的頻率、材料相關(guān)，很難估測(cè)，可以借助廠家online 計(jì)算工具，得到相應(yīng)的磁芯損耗。

2 功率開(kāi)關(guān)管損耗

N 溝道增強(qiáng)型MOSFET 是利用柵極電壓控制漏極電流，具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高等特點(diǎn)，在高頻開(kāi)關(guān)電源中常被用作開(kāi)關(guān)管[8]。但MOSFET并非理想器件，在完全關(guān)斷時(shí)，仍有微小的漏電流；在完全導(dǎo)通時(shí)，存在微小的正向壓降，會(huì)產(chǎn)生明顯的導(dǎo)通損耗。MOSFET 的導(dǎo)通過(guò)程如圖3 所示。從圖中可以看出，由于寄生電容的存在，存在V-I交疊區(qū)，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗[9]。對(duì)于功率開(kāi)關(guān)管，主要損耗包括導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗為：

圖3 MOSFET 導(dǎo)通過(guò)程

式中：RDS(on)是開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻；IRMS是開(kāi)關(guān)管上電流的有效值。IRMS公式如下：

式中，r是電流紋波率，考慮到變換器的整體應(yīng)力和尺寸，取r=0.4。

功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算公式如下：

功率開(kāi)關(guān)管分為開(kāi)通和關(guān)斷兩個(gè)過(guò)程，對(duì)應(yīng)的損耗分別為：

式中：QSW為柵極驅(qū)動(dòng)電荷；Igr為柵極充電電流；Igf為柵極放電電流。

功率開(kāi)關(guān)管的總開(kāi)關(guān)損耗為：

在功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)柵源電容放電所引起的損耗稱為柵極驅(qū)動(dòng)損耗[10]。功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)損耗為：

綜上，功率開(kāi)關(guān)管總的功率損耗為：

3 同步整流管損耗

本文設(shè)計(jì)采用的控制方式是PWM 型同步整流，開(kāi)關(guān)管與整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間（一般為ns 級(jí)），以避免交叉導(dǎo)通。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，由于電感電流不能突變，同步整流管的體二極管會(huì)率先導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流，整流管兩端的電壓VDS被鉗位在0 V。同步管導(dǎo)通后，其兩端的電壓仍為0 V 直至關(guān)斷。而開(kāi)關(guān)損耗是由VDS與ID在開(kāi)關(guān)時(shí)間段內(nèi)的乘積決定的，所以整流管上幾乎沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗[11]。整流管的損耗主要包括導(dǎo)通損耗、驅(qū)動(dòng)損耗、體二極管導(dǎo)通損耗和體二極管反向恢復(fù)開(kāi)關(guān)損耗。

同步整流管的導(dǎo)通損耗為：

驅(qū)動(dòng)損耗為：

體二極管導(dǎo)通損耗為：

式中：Vf為體二極管正向電壓；Tdead1和Tdead2分別是導(dǎo)通和關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間。

體二極管反向恢復(fù)開(kāi)關(guān)損耗為：

式中Qrr是體二極管反向恢復(fù)電荷。

綜上，同步整流管總的功率損耗為：

4 電容損耗

4.1 輸入電容損耗

DC/DC 變換器會(huì)產(chǎn)生較高的紋波電壓（di/ dt），該紋波電壓會(huì)直接傳導(dǎo)到電源輸入端，可能會(huì)引起電磁干擾問(wèn)題。因此，需要在輸入端添加合適的輸入電容。對(duì)于降壓DC/DC 變換器，輸入電容上的電流峰值為:

輸入電容上的功率損耗為：

式中RCIN是輸入電容上的等效串聯(lián)電阻。

4.2 輸出電容損耗

同步降壓DC/DC 變換器中，輸出電容的作用是儲(chǔ)能和濾波。電感上的交流分量流經(jīng)輸出電容，由于電容上存在等效串聯(lián)電阻（ESR），會(huì)產(chǎn)生一定的阻性損耗。選擇合適的輸出電容，可有效降低損耗和紋波電壓，改變負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)。本文所采用的聚合物鉭電容具有極低的ESR 和優(yōu)越的高頻性能[12]。

輸出電容上的功率損耗為：

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式中，I2O(RMS)是輸出電容的最大有效電流，公式為：

5 控制器損耗

LTC3855 具有多相工作模式、差分輸出采樣和集成的同步鎖相環(huán)（PLL）。其中，差分放大器提供了正端和負(fù)端的遠(yuǎn)端輸出電壓采樣，從而在出現(xiàn)因過(guò)孔、走線或互連線所致的損耗時(shí)可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的穩(wěn)壓。本文控制器內(nèi)置2 個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)N 溝道功率MOSFET[13]；同時(shí)，還包含1 個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），輸出通過(guò)VIN或EXTVCC給柵極驅(qū)動(dòng)器供電。控制器的損耗可用下式估算：

式中，IIC是控制器的靜態(tài)輸入電流，可從LTC3855 的Datasheet 中獲得。

6 效率分析

同步降壓DC/DC變換器的效率定義為輸出負(fù)載功率與變換器上產(chǎn)生的所有功率的比值，計(jì)算公式為：

本文設(shè)計(jì)采用的電感為XAL5030-331MEC，開(kāi)關(guān)管和同步整流管分別為BSZ050N03LS 和BSC011N03LS，輸入電容為2 個(gè)GRM32E6YA106KA12A 和鋁電解電容35SXPG120MOS 并聯(lián)，輸出電容為聚合物鉭電容4TCF470ML。根據(jù)元器件的datasheet，計(jì)算在輸入電壓VIN=12 V、輸出電壓VOUT=1.2 V、輸出電流IOUT=1~25 A、工作頻率fSW=500 kHz 情況下的轉(zhuǎn)換效率，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。同時(shí)，表1 中還包含了在樣機(jī)上測(cè)得的實(shí)際效率值。

表1 不同輸出電流對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率

圖4 所示為效率曲線，由圖可以看出，實(shí)際效率比計(jì)算值低1.0%~2.8%。這是由于驗(yàn)證板上的走線為銅箔，存在一定的阻抗，會(huì)消耗功率；另外，連接導(dǎo)線也存在傳導(dǎo)損耗，也會(huì)降低效率。

圖4 效率曲線

圖5 對(duì)比了在輸出電流分別為5 A 和25 A 時(shí)各主要損耗的占比情況。

圖5 各部分損耗占比情況

從圖5 中可以看出，無(wú)論是輕載（IOUT=5 A）還是重載（IOUT=25 A），電感的DCR 損耗、開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗和整流管的導(dǎo)通損耗占比都相對(duì)較高。其中，在輕載時(shí)，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗占比最高，故輕載時(shí)可以選擇突發(fā)模式或脈沖跳躍模式，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率減少開(kāi)關(guān)損耗；在重載時(shí)，電感的DCR 損耗和整流管的導(dǎo)通損耗占比較高，故對(duì)于低壓大電流的應(yīng)用，應(yīng)選擇低DCR 的功率電感、低導(dǎo)通電阻的同步整流管。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了同步降壓DC/DC 變換器中各個(gè)元器件產(chǎn)生的功率損耗并給出計(jì)算公式。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，分析了各部分損耗在不同輸出條件下的占比情況。對(duì)于低壓、大電流的應(yīng)用，電感的DCR 損耗、開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗和整流管的導(dǎo)通損耗占比較高，因此，提高變換器的轉(zhuǎn)換效率可以采用低直流電阻的功率電感、低Qg的開(kāi)關(guān)管和低導(dǎo)通電阻的同步整流管。