大电流dcdc降压芯片20a_详细计算公式丨Buck降压开关电源的功率损耗

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直流传导损失

理想降压转换器在使用理想组件(导通状态下零压降和零开关损耗)时效率为100%。事实上，功耗始终与每个功率元件相关。SMPS有两种损失：直流传导损失和交流开关损失。

降压转换器的传导损耗主要来自晶体管Q1、二极管D传导电流时产生的电感L压降。为了简化讨论，电感电流的交流纹波被忽略在以下传导损耗计算中。如果MOSFET用作功率晶体管，MOSFET传导损失等于IO2 ? RDS(ON) ? D，其中RDS(ON)是MOSFET Q1.导电阻。二极管的传导功率损失等于IO ? VD ? (1 – D)，其中VD是二极管D正向压降。电感的传导损耗等于IO2 ? R DCR，其中R DCR是电感绕组的铜电阻。因此，降压转换器的传导损耗约为：

例如，12V输入、3.3V/10AMAX以下元件可用于输出降压电源：MOSFET RDS(ON) = 10mΩ，电感RDCR = 2 mΩ，二极管正电压VD = 0.5V。因此，满载下的传导损耗为：

转换器的效率如下：

根据上述分析，续流二极管的功率损失为3.62W，远高于MOSFET Q1.电感L的传导损失。为了进一步提高效率，ADI公司建议使用二极管D1替换为MOSFET Q2.如图9所示。转换器称为同步降压转换器。Q2的栅极需要对Q1栅极信号互补，即Q2仅在Q关闭时导通。同步降压转换器的传导损耗为：

图9同步降压转换器及其晶体管栅极信号

如果10mΩ RDS(ON) MOSFET也用于Q2.同步降压转换器的传导损耗和效率如下：

上述示例显示，同步降压转换器比传统降压转换器更高效，特别适用于占空比小、二极管D低输出电压应用传导时间长。

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交流开关损失

除直流传导损耗外，还有其他交流/开关相关功率损耗，由使用不理想的功率元件引起：

A.MOSFET开关损耗

真正的场效应管需要时间来引导或关闭。因此，电压和电流在瞬变过程中重叠，导致交流开关损失。图10显示同步降压转换器MOSFET Q典型开关波形1。顶部FET Q1的寄生电容CGD充放电和电荷QGD决定大部分Q1开关时间及相关损耗。底部在同步降压转换器中FET Q由于开关损耗小，2开关损耗小Q体二极管传导后总是导通，体二极管传导前关闭，体二极管压降很低。但是，Q体二极管反向恢复电荷也可能增加顶部FET Q1.开关损耗，产生开关电压铃和EMI噪声。公式(12)显示控制FET Q1开关损耗和转换器开关频率fS成正比。精确计算Q1的能量损耗EON和EOFF并不简单，具体可参见MOSFET供应商的应用笔记。

图10 在降压转换器的顶部FET Q典型的开关波形和损失

B.电感铁损PSW_CORE

与开关频率相关的真实电感也有交流损耗。电感交流损失主要来自磁芯损失。在高频SMPS磁芯材料可能是铁粉芯或铁氧体。一般来说，铁粉芯略饱和，但铁损高，而铁氧体材料饱和剧烈，但铁损低。铁氧体是一种类似陶瓷的铁磁材料，其晶体结构由氧化铁和锰或氧化锌的混合物组成。铁损失的主要原因是磁滞损失。磁芯或电感制造商通常为电源设计师提供铁损数据，以估计交流电感损失。

C.与沟通相关的其他损失

其他交流相关损耗包括栅极驱动器损耗PSW_GATE(等于VDRV ? QG ? fS)和死区时间(顶部FET Q1和底部FET Q2.二极管传导损失(等于)(ΔTON ΔTOFF) ? VD(Q2) ? fS)。

总之，开关的相关损耗包括：

通常，计算开关相关损耗并不容易。开关相关损耗及开关频率fS成正比。在12VIN、3.3VO/10AMAX在同步降压转换器中，200kHz – 500kHz开关频率下的交流损失约为2%至5%。因此，满载下的总效率约为93%，比例LR或LDO电源要好得多。热量或尺寸可以减少近10倍。

来自ADI整理技术资料

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