DCDC 转换器系统效率计算

由于市场上的稳压器种类繁多，因此很难选择 DC/DC 稳压器。大多数汽车应用都需要在整个负载范围内保持高效率，因为它们由电池供电。但话又说回来，许多工业应用需要高负载时的良好效率，而轻负载时的效率并不是很重要。因此，了解 DC/DC 稳压器的损耗很重要。

阅读 DC/DC 转换器数据表中的效率曲线也会产生一些问题，例如“为什么轻负载时的效率低？” 和“为什么在重负载时效率会下降？” 我将尝试以 SIMPLE SWITCHER® LM2673 3A 降压稳压器为例，将系统效率分解为不同的组件损耗。

图 1 显示了评估模块 (EVM) 原理图。

图 1：设计原理图

栅极电荷和 IC 损耗

在 LM2673 等典型的非同步降压稳压器中，功耗元件是 IC 本身、电感器和钳位二极管。通过输入和输出电容器的均方根 (RMS) 电流和寄生等效串联电阻 (ESR) 非常低；因此我们可以忽略这些组件的损失。

由于它们的结构，每个 MOSFET 在其端子之间都有一些寄生电容。它们是栅漏电容 (C GD )、栅源电容 (C GS ) 和漏电容 (C DS )，如图 1 所示。电容值因 MOSFET 尺寸、制造和其他工艺参数而异. 与理想 MOSFET 不同（转换时间为零），这些寄生电容的存在引入了有限的开关时间，如图 2 所示。

图 2：MOSFET 寄生电容

如图 3 所示，有限的开关时间是输入电容 (C ISS ) 充电和放电的结果。输入电容基本上是 C GS和米勒电容 (C GD ) 之和。栅极电荷 (Q G ) 是栅极-源极电荷 (Q GS ) 和栅极-漏极电荷 (Q GD ) 之和。MOSFET 的栅极电荷是完全开启 MOSFET 所需的电荷。 

图 3：栅极电荷和米勒平台

MOSFET 驱动器提供电流 (I CC )，我们可以使用公式 1 估算该电流：

其中，F SW是 DC/DC 稳压器的开关频率。

对于像 LM2673 这样具有集成高端 MOSFET 的转换器，数据表没有列出 Q G等参数。因此，我们需要以不同的方式估算 I CC：在实验室工作台上。在启用设备并断开负载的情况下，测量输入电流。在没有连接负载的情况下，此输入电流测量本质上是 I CC电流测量。电流 I CC也称为工作静态电流。请参阅“其他资源”部分中的链接以了解更多信息。

如需更准确的计算，我们可以使用 TI 的 WEBENCH® Power Designer 软件。WEBENCH Power Designer 拥有所有内部 MOSFET 参数的信息，因此可以在计算损耗时考虑这些参数。

从等式 1 可以看出，电流与开关频率 (F SW )成正比。由于 MOSFET 驱动器提供此电流，因此驱动器中存在损耗。驱动器电压 (V CC ) 由内部低压差稳压器 (LDO) 设置。驱动器的损耗如公式 2 所示：

由于 DC/DC 稳压器内部的 LDO 提供此电流，因此 LDO 中也会有功耗。该功耗表示为公式 3：

如果将公式 2 和 3 相加，我们将得到 LDO 和驱动器的总功耗（公式 4）：

因此，随着输入电压的升高，损耗也会增加。此外，栅极电荷直接影响开关损耗。如果内部 MOSFET 有较大的寄生电容，则产生的栅极电荷会较大；切换转换所花费的时间也会更长一些。这将因此增加开关损耗。

开关损耗

我们先来看看集成高端 MOSFET 的开关损耗。在每个开关周期开始时，驱动器开始向集成 MOSFET 的栅极提供电流。从第 1 部分中，您知道 MOSFET 在其端子上有寄生电容。在第一个时间段（图 1 中的 t1），栅极-源极电压 (V GS ) 接近 MOSFET 的阈值电压 V TH并且漏极电流为零。因此，在此期间的功率损耗为零。在时间段 t2 内，MOSFET 的寄生输入电容 (C ISS ) 开始充电，漏极电流开始流过 MOSFET，呈线性增加。对于降压拓扑，该电流是负载电流和漏源电压（V DS) 是输入电压 (V IN )。

一旦 MOSFET 的输入寄生电容充电，负载电流流过 MOSFET，V DS开始下降。该时间也称为“米勒时间”，因为该时间仅用于对米勒电容 (C GD ) 充电。在米勒时间期间，漏极电流恒定在 I OUT并且 V DS从 V IN下降。

因此，在较高的输入电压和开关频率下，整体效率相对降低。在轻负载时，LM2673 非同步降压稳压器进入非连续导通模式。在这种模式下，器件仍保持开关频率。在每个周期中，功率仍在集成电路 (IC) 内部耗散。因此，即使在轻负载时传导损耗不是一个因素，但由于始终存在的开关损耗，器件效率会受到影响。而且由于传递到输出的平均功率非常低，因此设备的整体效率也很低。