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2019.10.23 DC/DC

探讨高输入电压应用时的注意事项

损耗探讨

上一篇文章探讨了通过提高开关频率来实现应用小型化时的注意事项。本文将通过输入电压升高的案例,来探讨损耗增加部分、注意事项及相应的对策。

探讨高输入电压应用时的注意事项

对于DC/DC转换器的输入电源来说,通常工业设备的12V总线等几乎是恒定电压,而汽车的电池电压等虽然标称12V,但需要考虑到瞬态波动等因素,设想相当宽范围的电压进行设计。

本文将在此前提到的条件(输入电压12V,最高达60V)下来探讨效率。

在“损耗因素”一文的公式中提到,输入电压的升高能够对效率造成影响的是“开关损耗”。

<随着输入电压 VIN 的升高而增加的损耗因素>

・开关损耗
    

从公式可以看出,开关损耗随VIN的升高而增加,由于是乘法算式,因此将会造成很大的影响。

table

下面来实际计算一下当VIN为12V和60V时的损耗。

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,所以计算后开关损耗也增加了5倍。下图为相对于输入电压的整体损耗变化示意图。基本上开关损耗是主要增加的损耗。

考虑因素及对策

要将输入电压范围扩展为12V~60V,需要对当初选择用于12VIN的MOSFET重新评估包括额定电压(耐压)在内的几项规格。以下汇总了重新评估要点和注意事项。

  • 在使用开关晶体管(MOSFET)外置的控制器IC的案例中,重新评估MOSFET的额定电压(VD)。
  • 开关损耗会增加,因此MOSFET的容许损耗也需要重新评估。
  • 随着MOSFET的变更,探讨采用tr和tf更快且导通电阻和Qg低的产品。
  • 电源规格中,如果能够降低开关频率就将其降低。如果将fSW减半(降至500kHz),则损耗也会减半。
  • 如果是开关晶体管内置型的IC,则需要对IC本身进行评估。

至此仅考虑了损耗方面的因素,其实在涉及更高输入电压时,还有一项考虑因素。虽然并非本文的主题内容,但在现实中是非常重要的,因此在这里提一下。

应该是将最大60VIN降压至5VOUT,但降压比受电源IC的控制参数之一的最小导通时间的限制,故必须对降压比和最小导通时间进行探讨。由于降压比是60:5,按开关频率1MHz进行简单计算的话,需要能够控制周期1µs的1/12、即83.3ns的导通时间的电源IC。然而,现实中最小导通时间83.3ns以下的电源IC并不多。在ROHM的产品中,DB9V100MUFF这款电源IC可以满足该条件,但在多数情况下,很多产品因无法满足最小导通时间要求而被迫降低开关频率。如果降低开关频率,则不仅需要重新确认损耗,其他相关的所有元器件常数等都需要重新确认。但在车载设备中,基本上都要求2MHz以上的开关频率,因此无法通过降低开关频率来解决该问题。

综上所述,在探讨高电压应用时,需要考虑到降压比和损耗增加这两方面的因素。

关键要点:

・当输入电压升高时,主要增加的损耗是开关损耗。

・随着开关损耗的增加,需要重新评估MOSFET的额定电压和容许损耗。

・此外,还可考虑采用tr和tf更快、导通电阻和Qg低的MOSFET。

・电源规格中,如果能够降低开关频率就将其降低。如果将fSW减半,则损耗也会减半。

・如果是开关晶体管内置型的IC,则需要对IC本身进行评估。

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