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2020.03.25 DC/DC

探討高輸出電流應用時的注意事項 其1

損耗探討

上一篇文章介紹了輸入電壓升高時損耗增加的部分、注意事項及相應的對策。本文將介紹在探討輸出電流較大的應用時應該注意的兩個事項之一。

探討高輸出電流應用時的注意事項 其1

在此前使用的條件中,設想輸出電流的範圍為1A~5A。

隨著輸出電流增加而增加的損耗有低側/高側MOSFET的導通電阻損耗、切換損耗、死區時間損耗以及電感的DCR損耗。

table

下面是“損耗因素”中列出的各損耗公式。

<隨著輸出電流Io 的增加而增加的損耗因素>

・高側的MOSFET導通電阻 P_ONH 帶來的傳導損耗

  

・低側的MOSFET導通電阻 P_ONL 帶來的傳導損耗

  

・開關損耗

  

・死區時間損耗

  

・電感(線圈)的DCR R_DC 帶來的導通損耗

  

從公式中可以看出,MOSFET的導通電阻和電感的DCR損耗尤為增加。由於Io為二次方,因此1A時為1,但5A時變為25,與其他損耗相比,其係數變為5倍。下面是當Io從1A變為5A時的各損耗示意圖。

考慮因素及對策

MOSFET的導通電阻帶來的傳導損耗是損耗增加的主要因素,因此在切換MOSFET外接的控制IC配置的情況下,應選擇導通電阻低的MOSFET。如果是MOSFET內建型IC,則基於同樣的觀點,應選擇內建MOSFET的導通電阻小的IC,但由於沒有單獨選擇MOSFET的選項,因此需要對比整體的損耗進行選擇。

電感的DCR損耗也很大,因此需要選擇DCR小的電感。在IC組成的電源電路中,一般情況下電感為外接,因此與MOSFET外接型和內建型的思路相同。

關於切換損耗,選擇tRISE和tFALL較快、即MOSFET的切換速度快的產品可抑制切換損耗。基本上需要選擇Qg低的MOSFET。另外,控制IC的閘極驅動能力高也可有效抑制損耗,但本次使用IC本身的條件。有的MOSFET內建型IC是以高速切換為特點的。

此次的條件設定中,是以不改變切換頻率為前提的,不過也有透過降低切換頻率來降低損耗的手法。但是,這與電感的大小之間存在矛盾平衡關係。這在“探討透過提高切換頻率來實現小型化時的注意事項”中有介紹,請參閱。

死區時間損耗是死區時間中因低側MOSFET的本體二極體的正向電壓VF和Io而產生的損耗,因此理論上應該使用縮短死區時間、本體二極體的VF小的MOSFET。然而,在大多數情況下,死區時間是按控制IC最佳化的值設定的,是無法調整的,而且根據死區時間來選擇控制IC的做法也不太現實。此外,對於MOSFET也是一樣,尋找本體二極體的VF小的產品也並不現實。如果無法容忍死區時間損耗,可以透過在低側MOSFET的漏極-源極間增加VF小的二極體(如蕭特基二極體)來降低VF。另外,雖然這種方法與本次的條件不符,但還可以透過降低切換頻率的方法來處理。

最終需要使用導通電阻低的MOSFET,提高切換速度,並選用DCR低的電感。但是,關於MOSFET的選型還有一些需要探討的事項,相關內容將在“其2”中進行說明。

重點:

・如果提高輸出電流,則MOSFET的導通電阻、切換、死區時間、電感的DCR損耗將會增加。

・選擇導通電阻低的MOSFET,提高切換速度,並使用DCR小的電感。

・大多數控制IC的死區時間是無法調整的。

・MOSFET的選型除導通電阻外還有其他需要探討的事項(見“其2”)。

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