BucK功率损耗分析

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Pcap = 1 Coss *(Vds)2 * f 2
b）Switching loss 开启过程损耗。指在 MOSFET 开启过程中逐渐下降的漏源电 VDS 与逐渐上升的负载电流（即 漏源电流） IDS 交叉重叠部分造成的损耗
VDS 方程
v = −Vin *t +Vin tr
ID
方程 i =
Id tr
=
d 2 * (Vin −1) 2 f * Lo Vo
d = 2Io * f * Lo *Vo Vin(Vin − Vo)
6.1-2 电感计算
因为电路在连续与非连续之间来回切换，所以我们选择电感时以连续工作模式的方式来选择, 即 L=Lo.
6.2 电感损耗
电感损耗是指电感均方根电流 IRMS 在电感电阻 DCR 上产生之压降造成的损耗
5.2 电感损耗
电感损耗是指电感均方根电流 IRMS 在电感电阻 DCR 上产生之压降造成的损耗
电感电流 iL(t)的分段函数：(为了书写方便下面令 Io_design=Io)
iL
(t
)
=
⎪⎪⎨⎧IoIo+−∆∆I2oIo−+
∆Io t1 ∆Io
t,t ∈[0,t1] t,t ∈[t1,T
]
⎩ 2 T − t1
8．典型应用
详细参数计算请参见 MathCAD 文件
9
1
2.概述
随着能源效率的日益重要，人们对开关电源效率期望也越来越高， 从公式
η = POUT / PIN =（PIN − PLOSS）/ PIN 可知要提高效率，就必须减小开关电源损耗，BUCK 电源
损耗的主要构成为：电感损耗，MOSFET 导通损耗，MOSFET 寄生电容损耗，开关交叠损耗， 以及二极管的损耗等等。
当 Q1 Turn off 对电感有 Lo = Vo * d ' f * I LMAX
I LMAX
= Vo * d ' f * Lo
联合上两个公式可得： d ' = Vin −Vo * d Vo
电感电流断续时 BUCK 输出电流 IO 仍等于电感电流平均值
Io =
1 (dT 2T
+ d 'T ) * I LMAX
MOSFET 损耗包括导通损耗，驱动损耗以及开关损耗 MOSFET 主要参数 导通阻抗 RDS(ON) 总电量 QG MOSFET 输出电容 COSS
4
MOSFET 导通时间 tf MOSFET 关短时间 tr MOSFET 门极电压 VGS
5.3-1 High side MOSFET 损耗
A)导通损耗 导通损耗指在 MOSFET 完全开启后负载电流（即漏源电流） IDS(on) 在导通电阻 RDS(on) 上 产生之压降造成的损耗
3. 电路
3.1 同步整流
3.2 非同步整流
2
4. 参数定义
1) 输入电压 VIN 2) 输出电压 VO 3）输出电流 Io_design 4）纹波电流ΔIonormal=0.3*Io_design 5）工作频率 f 6) 二极管的正向导通压降 Vd 7) 电感的等效电阻 RDC 8）温度系数 KTH 9）占空比 d
BБайду номын сангаас 二极管损耗 二极管在承载正向电流时因正向压降造成的损耗
Irms = (1− d ) *[Io2 + ∆I 2 *1/12] Pshottky = Vd * Irms
6.非连续工作模式损耗计算
备注：由于同步整流变换器一直工作在电流连续模式，所以在计算非连续工作模式损耗时不
考虑同步整流部分。
6.1 占空比及电感计算
5. 连续工作模式损耗计算
5.1 占空比及电感计算
5.1-1 占空比计算 A) 同步整流占空比 d1 = Vout /Vin B) 非同步整流占空比 d 2 = (Vo +Vd ) /(Vin +Vd ) 5.1-2 电感计算
A. 同步整流
当 Q1 Turn off 对 电 感有 Lo_theoretical = Vo * (1 − d1) 取 电 感 值 Lo_theoretical=Lo f * ∆Ionormal
6.1-1 非同步整流占空比 假设：非连续工作模式电感电流从零上升到电感电流最大 ILMAX 的时间为 dT, 电感电流从最 大值 ILMAX 下降到零的时间为 d’T
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当 Q1 Turn on 对电感有 Lo = (Vin − Vo) * d f * I LMAX
I LMAX
=
(Vin − Vo) * d f * Lo
电感电流 iL(t)的分段函数：
电感电流波形
iL
(t
)
=
⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩
ILMAX * dT − ILMAX d'T
t, *
t
+
I
LMAX
,
t
t ∈[0,t1] ∈[t1, t2]
Irms =
∫ ∫ t1
(
I LMAX
⋅ t)2 dt
+
0 dT
t2
(−
t1
I LMAX d'T
⋅t
+
ILMAX )2 dt
2.1 同步整流………………………………………………………………………………….2 2.2 非同步整流……………………………………………………………………………….2 4. 参数定义………………………………………………………………………………………3 5. 连续工作模式损耗计算 5.1 占空比及电感计算………………………………………………………………………..3 5.2 电感损耗……………………………………………………………………………..…....4 5.3 MOFET,Schottky 损耗 4.3-1 High side MOSFET 损耗……………………………………………………………….5 5.3-2 Low side MOSFET 或 Schottky 损耗…………………………………………………..7 6. 非连续工作模式损耗计算 6.1 占空比及电感计算………………………………………………………………………..7 6.2 电感损耗…………………………………………………………………………………..8 6.3 MOFET,Schottky 损耗…………………………………………………………………...8 6.3-1 High side MOSFET 损耗……………………………………………………………….8 6.3-2 Schottky 损耗………………………………………………………………………..….8 7. 总损耗 7.1 连续工作模式……………………………………………………………………………..9 7.2 非连续工作模式…………………………………………………………………………..9 8. 典型应用………………………………………………………………………………………9
=
6
T
3
(Vin − Vo) * Io* Vo f * Lo
(Irms)2 = 2 * (Vin − Vo)* Io* Vo
3
f * Lo
Pinductor = (Irms)2 * R DC * KTH
8
6.3 MOFET,Schottky 损耗 6.3-1 High side MOSFET 损耗 6.3-2 Schottky 损耗
t
∫ Psw
_
on
=
tr
[(
− Vin
*t
+
Vin)
*
Id
t]dt
=
1
*Vin *(Io
+
1
∆Io) *tr
*
f
0 tr
tr
6
2
○2 Turn off loss 关断过程损耗。指在 MOSFET 关断过程中逐渐上升的漏源电压 VDS 与逐渐下降的漏源电流 IDS 的交叉重叠部分造成的损耗
6
Psw _ off = 1 *Vin * (Io + 1 ∆Io) * tf * f
Buck 功率损耗分析
ZhangJiuSheng—system engineer 1. 目录................................................................................................... ........................................1 2. 概述................................................................................................... ........................................2 3. 电路
6
2
5.3-2 Low side MOSFE 或 Schottky 损耗
A) Low side MOSFET 损耗 Low side MOSFET loss 计算类似与 high side MOSFET loss, 只是计算 conduction loss 时注意
(Irms)2 = (Io2 + ∆Io2 /12) * (1− d) ,其余部分损耗请参考上面的计算方法。
∫ ∫ Irms =
t1
0 (IO
− ∆Io + ∆Io ⋅t)2 dt + 2 t1
T
t1 ( I O
+ ∆Io − ∆Io ⋅t)2 dt 2 T − t1
=
T
∆Io2 12
+
IO2
(Irms)2 = Io2 + ∆Io2 /12