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2019.11.06 DC/DC

探讨高输出电流应用时的注意事项 其1

损耗探讨

上一篇文章介绍了输入电压升高时损耗增加的部分、注意事项及相应的对策。本文将介绍在探讨输出电流较大的应用时应该注意的两个事项之一。

探讨高输出电流应用时的注意事项 其1

在此前使用的条件中,设想输出电流的范围为1A~5A。

随着输出电流增加而增加的损耗有低边/高边MOSFET的导通电阻损耗、开关损耗、死区时间损耗以及电感的DCR损耗。

table

下面是“损耗因素”中列出的各损耗公式。

<随着输出电流 Io 的增加而增加的损耗因素>

・高边侧的MOSFET导通电阻 P_ONH 带来的传导损耗

  

・低边侧的MOSFET导通电阻 P_ONL 带来的传导损耗

  

・开关损耗

  

・死区时间损耗

  

・电感(线圈)的DCR R_DC 带来的导通损耗

  

从公式中可以看出,MOSFET的导通电阻和电感的DCR损耗尤为增加。由于Io为二次方,因此1A时为1,但5A时变为25,与其他损耗相比,其系数变为5倍。下面是当Io从1A变为5A时的各损耗示意图。

考虑因素及对策

MOSFET的导通电阻带来的传导损耗是损耗增加的主要因素,因此在开关MOSFET外置的控制器IC配置的情况下,应选择导通电阻低的MOSFET。如果是MOSFET内置型IC,则基于同样的观点,应选择内置MOSFET的导通电阻小的IC,但由于没有单独选择MOSFET的选项,因此需要对比整体的损耗进行选择。

电感的DCR损耗也很大,因此需要选择DCR小的电感。在IC组成的电源电路中,一般情况下电感为外置,因此与MOSFET外置型和内置型的思路相同。

关于开关损耗,选择tRISE和tFALL较快、即MOSFET的开关速度快的产品可抑制开关损耗。基本上需要选择Qg低的MOSFET。另外,控制器IC的栅极驱动能力高也可有效抑制损耗,但本次使用IC本身的条件。有的MOSFET内置型IC是以高速开关为特点的。

此次的条件设置中,是以不改变开关频率为前提的,不过也有通过降低开关频率来降低损耗的手法。但是,这与电感的大小之间存在矛盾平衡关系。这在“探讨通过提高开关频率来实现小型化时的注意事项”中有介绍,请参阅。

死区时间损耗是死区时间中因低边MOSFET的体二极管的正向电压VF和Io而产生的损耗,因此理论上应该使用缩短死区时间、体二极管的VF小的MOSFET。然而,在大多数情况下,死区时间是按控制器IC优化的值设置的,是无法调整的,而且根据死区时间来选择控制IC的做法也不太现实。此外,对于MOSFET也是一样,寻找体二极管的VF小的产品也并不现实。如果无法容忍死区时间损耗,可以通过在低边MOSFET的漏极-源极间增加VF小的二极管(如肖特基二极管)来降低VF。另外,虽然这种方法与本次的条件不符,但还可以通过降低开关频率的方法来处理。

最终需要使用导通电阻低的MOSFET,提高开关速度,并选用DCR低的电感。但是,关于MOSFET的选型还有一些需要探讨的事项,相关内容将在“其2”中进行说明。

关键要点:

・如果提高输出电流,则MOSFET的导通电阻、开关、死区时间、电感的DCR损耗将会增加。

・选择导通电阻低的MOSFET,提高开关速度,并使用DCR小的电感。

・大多数控制器IC的死区时间是无法调整的。

・MOSFET的选型除导通电阻外还有其他需要探讨的事项(见“其2”)。

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