Buck Converter Efficiency Analysis

作者:郑沛坤

 效率是开关电源的重要指标,特别是在便携式产品中,高效率意味着提升了续航时间并改善了系统热管理。开关电源中,以脉冲形式将能量由输入端传递于输出端。但是在能量传递的过程中,开关电源拓扑本身并不产生能量,组成拓扑的诸多器件在传递能量的过程中,都会或多或少的消耗能量。

为获得最高的工作效率和最优的器件选择,我们需要熟悉损耗的来源和特点,以选择最合适的IC和器件来达到高效率指标。开关电源Buck的功率损耗主要来自于功率电感、上管MOS、下管MOS和控制芯片的静态功耗。

以MPS公司的MP9928为例,MP9928是一款Buck控制器,输入电压VIN范围为4-60V,工作频率f=100k-1000kHz,输出电压范围可达24V,拓扑如图1所示。

图1 MP9928
  • 功率电感损耗:

    功率电感L的损耗可分为磁芯损耗和线圈损耗,磁芯损耗由电感磁芯磁化时产生的磁滞损耗组成,磁芯损耗随开关频率增加而增加,和VIN无关,传导损耗由电感的寄生电阻DCR产生,电感电流波形如图2所示,电感传导损耗主要由IL直流分量IOUT(输出电流)和交流分量$\Delta I$流过寄生电阻DCR产生,如式1所示。

    磁芯损耗一般来说难以计算,和频率、材料相关,可借助于厂家提供的仿真工具查看,也可大致估计磁芯损耗为线圈损耗的三分之一。

    图2

由公式可知,减小电感电流的文波,可以减小电感的线圈损耗,而电感电流的文波随频率的增加而减小,随电感感量的增大而减小。

  • HS MOSFET:

    Buck电路中,上管MOS和下管MOS的损耗来源并不相同,占空比D小于0.5的应用中,下管MOS的导通时间将长于上管MOS,同时由于死区时间的存在,下管MOS的体二极管通常先于MOS导通,从而实现了下管MOS的软开关。因而大多数应用中,上管MOS的损耗以开关损耗为主,下管MOS的损耗则以导通损耗为主,为实现高效率,通常上下管需要选用不同的MOS。

    上管MOS的损耗可分为开关损耗、导通损耗和驱动损耗,MOS导通期间栅极至源极电压、栅极至源极电流、漏极至源极电压以及漏极至源极电流,如图3所示[^2],t1到t3是MOS导通转换过程,开关损耗由于MOS在导通和关断转换过程中,因漏极电压和漏极电流的交叉存在而产生开关损耗。MOS管在导通或关断瞬态时需要的电荷量为总栅极电荷Qg(t0到t4期间的电荷量),包括栅极至源极电荷Qgs(t0到t2期间的电荷量)和栅极至漏极电荷,即米勒电荷(t2到t3期间的电荷量)。

    图3

截取至SQJ850的规格书上的MOSFET电荷量参数如图4所示:

图4

MOS管的传导损耗主要由导通电阻RDS流过电流发热产生,传导损耗由导通电阻和输入电流决定,如下式所示:

开关损耗由FET的充电电荷和开关频率决定,包括开通损耗、关断损耗和栅极驱动损耗,如下式所示:

可以看出上管的开关损耗和驱动损耗均和开关电源的频率成正比,且大多数应用情况下上管损耗以开关损耗为主。

  • LS MOSFET:

    降压电路中的同步整流管即下管MOS的导通损耗和上管MOS的计算公式类似。

而开关损耗则不同,由于HS和LS之间的死区时间的存在,LS的FET的体二极管将先于FET开通,FET关断后,体二极管仍起到续流的作用,因而FET相当于零电压开通和零电压关断,开关损耗包括死区时间内体二极管的导通损耗和栅极驱动损耗。

$$
P_{diode}=V_F\times I_O\times f_{sw}\times(T_{dead1}+T_{dead2})
P_{gate}=V_g\times Q_{g}\times f_sw
$$

截取至SQJ850的规格书上的MOSFET体二极管参数如图5所示:

图5
  • 采样电阻损耗

    检测电阻的损耗和电感DCR损耗相似,如下式所示:

  • 控制IC静态损耗

    截取至MP9928的规格书上IC静态电流参数如图6所示:

    图6

MP9928的静态损耗如式7所示:

  • 总结:

    用MP9928搭建样机参数如下:

    输入电压:30V

    工作频率:200kHz

    输出电压/电流:5V/10A

    上管MOS:RSS085N05

    下管MOS:AONS66612

    电感:33uH(9mΩ)

    效率可达94%,各部分损耗如图7所示,可知为进一步提高效率,我们应减小开关频率并选用开关时充电电荷更小的上管MOS。

    图7

可从能量的角度考虑降压拓扑,当输入电压VIN接近输出电压VOUT时,拓扑无需进行太多的变换即可得到所需的输出电压,因而此时其产生的功率损耗将最小。因而估算降压拓扑最大损耗时,应考虑最恶劣的情况,因而需从最大输入电压VIN开始。

然后需确定当前功率损耗的主要来源。开关频率对效率影响因不同应用场合而不同,fSW增加,因纹波产生的传导损耗减小,而MOS的开关损耗增加。如果功率损耗主要来源于纹波产生的传导损耗,可增加开关频率fSW;而如果功率损耗主要来源于MOS的开关损耗,则可减小开关频率。增加功率电感L值,减小功率电感寄生电阻DCR并减小MOS的导通电阻,可以减小功率损耗但往往会增大功率器件的体积和成本,这是一个trade-off的过程。

1
[1]Monolithic Power System, MP9928, 4V-60V Input, Current Mode, Synchronous Step-Down Controller