降压转换器效率的分析及功率损耗计算

同步降压电路广泛用于为系统芯片提供低电压和大电流的非隔离电源。实现同步降压转换器的功率损耗并提高效率对于电源设计人员来说非常重要。应用笔记介绍了降压转换器效率的分析，并实现了同步降压转换器的主要功率元件损耗。

降压转换器功率损耗分析

实现转换器中的功率损耗对于转换器设计优化很重要。图 1 显示了一般的单相同步降压转换器电路。同步降压转换器电路中的主要功率损耗如下所列：

A：功率半导体损耗

B：电感损耗

C ： 司机损失

D：PCB走线损耗

图 1. 同步降压转换器

功率损耗计算

先进的微处理器对低功耗和高效同步降压转换器的需求很大。该应用笔记介绍并提供了如何计算典型同步降压转换器中发生在以下组件中的大部分功率损耗，基于转换器工作在连续导通模式 （CCM） 固定开关频率、固定输入电压和固定输出电压。

A：功率半导体损耗：

HMOS （High-Side MOSFET） 概括为包括：开关和导通损耗。

LMOS （Low-Side MOSFET） 概括为包括：导通、死区时间和反向恢复电荷损失。

HMOS 开启损耗：

图 2. HMOS 驱动器开启

图 3. HMOS 导通损耗区域

HMOS导通损耗：

高边 MOSFET 的传导损耗由 MOSFET 的导通电阻和晶体管 RMS 电流决定。

图 4. HMOS 导通

图 5. HMOS 导通周期

LMOS 导通损耗：

图 6. LMOS 导通

图 7. LMOS 导通周期

LMOS 死区时间体二极管损耗：

死区时间损耗是由 LMOS 体二极管在死区时间期间导通引起的。

图 8. LMOS 体二极管导通

：

图 9. LMOS 体二极管导通周期

LMOS反向恢复电荷损失：

图 10. LMOS 体二极管反向恢复周期

B ： 电感器直流和交流损耗

电感直流损耗：

图 11. 通过电感路径的电流

图 12. 电感电流路径周期

电感磁芯损耗：

电感磁芯损耗主要由磁芯材料中的交变磁场引起。损耗是工作频率和总磁通量摆动的函数。磁芯损耗可能因一种磁性材料而异。

图 13. 电感纹波电流

图 14. 铁损曲线

计算和/或测量的磁芯损耗通常由电感器供应商直接提供。如果没有，可以使用以下公式计算铁损：

PL 是功率损耗 （mW），

Fsw ： 工作频率

B ： 以高斯为单位的峰值通量密度

V e ： 有效核心体积

C、X 和 Y 的具体值是每种材料的铁损参数

C：栅极驱动器损耗：

栅极驱动器损耗由 MOSFET 驱动器直接给出，用于充电/放电总 HMOS 和 LMOS Qg。栅极驱动器损耗取决于 MOSFET 总栅极电荷、驱动器电压和 Fsw。

图 15. 驱动器开启和关闭路径

图 16. MOSFET 驱动器开启

图 17. MOSFET 驱动器关闭

D：PCB损耗：

图 18 可以详细说明为图 19 和图 20，其中 R tr1 ~R tr7具有 loop1（HMOS 导通）和 loop2（LMOS 导通）。

图 18. PCB 走线图

图 19. PCB loop1 迹线

图 20. PCB loop2 迹线

功率损耗测量和计算比较

尽管降压转换器功率损耗计算公式已得到很好的介绍和记录。为了检查这些功率损耗公式的准确性，表 1 显示了典型的降压转换器应用参数，图 21 显示了测量和计算之间的效率比较。

图 21. 效率比较的测量和计算

图 22 显示了降压转换器中的关键元件损耗，包括 HMOS、LMOS、电感器、驱动器和 PCB 走线损耗。读者可以查看每个系统加载造成的主要损失。

图 22. 降压转换器中的关键元件损耗

图 23 显示了降压转换器中的详细组件损耗，并在曲线中说明了损耗与 Iout 的关系。

HMOS：P HSW（开关损耗）和 P HCOD（传导损耗）

LMOS ：P LCOD（传导损耗）、P L_DIODE（死区时间体二极管损耗）和 P RR（反向恢复损耗）

电感器：PL（电感器直流和铁损）

驱动器：P DRV（栅极驱动器电荷损失）

PCB：P PCB（PCB走线损耗）

图 23. 降压转换器的详细功率损耗

结论

本应用文档分析了同步降压转换器的功率损耗，并给出了功率损耗各部分的详细计算。损耗计算还与实际降压转换器测量进行比较，并提供关键元件损耗数据，以考虑如何提高降压转换器效率，以考虑元件和 PCB 平面。