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2020.02.19 DC/DC

探討高輸入電壓應用時的注意事項

損耗探討

上一篇文章探討了透過提高切換頻率來實現應用小型化時的注意事項。本文將透過輸入電壓升高的案例,來探討損耗增加部分、注意事項及相應的對策。

探討高輸入電壓應用時的注意事項

對於DC/DC轉換器的輸入電源來說,通常工業裝置的12V匯流排等幾乎是恒定電壓,而汽車的電池電壓等雖然標稱12V,但需要考慮到暫態波動等因素,設想相當寬範圍的電壓進行設計。

本文將在此前提到的條件(輸入電壓12V,最高達60V)下來探討效率。

在“損耗因素”一文的公式中提到,輸入電壓的升高能夠對效率造成影響的是“切換損耗”。

<隨著輸入電壓 VIN 的升高而增加的損耗因素>

・開關損耗
    

從公式可以看出,開關損耗隨VIN的升高而增加,由於是乘法算式,因此將會造成很大的影響。

table

下面來實際計算一下當VIN為12V和60V時的損耗。

PSWH(12VIN)=0.5×12V×2A×(20 nsec+20 nsec)×1MHz=0.48W
PSWH(60VIN)=0.5×60V×2A×(20 nsec+20 nsec)×1MHz=2.4W

VIN升高了5倍,所以計算後切換損耗也增加了5倍。下圖為相對於輸入電壓的整體損耗變化示意圖。基本上切換損耗是主要增加的損耗。

考慮因素及對策

要將輸入電壓範圍擴展為12V~60V,需要對當初選擇用於12VIN的MOSFET重新評估包括額定電壓(耐壓)在內的幾項規格。以下匯總了重新評估要點和注意事項。

  • 在使用切換電晶體(MOSFET)外接的控制IC的案例中,重新評估MOSFET的額定電壓(VD)。
  • 切換損耗會增加,因此MOSFET的額定損耗也需要重新評估。
  • 隨著MOSFET的變更,探討採用tr和tf更快且導通電阻和Qg低的產品。
  • 電源規格中,如果能夠降低切換頻率就將其降低。如果將fSW減半(降至500kHz),則損耗也會減半。
  • 如果是切換電晶體內建型的IC,則需要對IC本身進行評估。

至此僅考慮了損耗方面的因素,其實在涉及更高輸入電壓時,還有一項考慮因素。雖然並非本文的主題內容,但在現實中是非常重要的,因此在這裡提一下。

應該是將最大60VIN降壓至5VOUT,但降壓比受電源IC的控制參數之一—最小導通時間的限制,故必須對降壓比和最小導通時間進行探討。由於降壓比是60:5,按切換頻率1MHz進行簡單計算的話,需要能夠控制週期1µs的1/12、即83.3ns的導通時間的電源IC。然而,現實中最小導通時間83.3ns以下的電源IC並不多。在ROHM的產品中,DB9V100MUF這款電源IC可以滿足該條件,但在多數情況下,很多產品因無法滿足最小導通時間要求而被迫降低切換頻率。如果降低切換頻率,則不僅需要重新確認損耗,其他相關的所有元件常數等都需要重新確認。但在車電裝置中,基本上都要求2MHz以上的切換頻率,因此無法透過降低切換頻率來解決該問題。

綜上所述,在探討高電壓應用時,需要考慮到降壓比和損耗增加這兩方面的因素。

重點:

・當輸入電壓升高時,主要增加的損耗是開關損耗。

・隨著切換損耗的增加,需要重新評估MOSFET的額定電壓和額定損耗。

・此外,還可考慮採用tr和tf更快、導通電阻和Qg低的MOSFET。

・電源規格中,如果能夠降低開關頻率就將其降低。如果將fSW減半,則損耗也會減半。

・如果是開關電晶體內置型的IC,則需要對IC本身進行評估。

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