提高 DCDC 转换器效率：了解工作模式和功率损耗

在计算、通信和消费应用系统中，DC-DC 系统负责转换、管理和分配能量，为图形卡、处理器芯片和内存等器件供电。随着对更高性能和功能性的需求不断增加，这些器件的耗电量比以往更甚。计算和消费电子产品的设计人员不得不在功率预算和效率、成本及性能之间进行权衡。为此，人们一直在就如何评估开关电路以及其所采用的功率晶体管器件展开研究，同时也在 MOSFET 器件和先进的热封装技术方面取得进展。尤其是计算产品意味着有了规范要求。延长电池寿命也是当今便携设备用户的一个呼声。因此，延长电池寿命、减小波形因数，以及新的政府法令要求，都在促使设计人员仔细选择电源部件，尤其是板上同步降压转换器。

但是效率低且组件温升过高的 DC/DC 转换器可能是一个令人头疼的问题——如果我们必须重新设计电路或修改电路板布局，则更是如此。

为避免此类问题，深入了解转换器的工作模式和功率损耗似乎是明智之举。尽管易于使用的转换器设计和仿真工具提供了一种快速选择组件、绘制效率曲线和估计转换器内功率损耗的方法，但特定功率级的细微差别及其各种工作模式往往仍被误解。识别转换器的模式并剖析预测功率损耗所需的表达式可以让我们全面了解 DC/DC 转换器的电气和热行为。现在以LM5175为例：

LM5175是一款同步四开关buck-boost DC/DC控制器，能够在输入电压处、之上或之下调节输出电压。LM5175可在3.5 V至42 V（最大60 V）的宽输入电压范围内工作，以支持多种应用。
LM5175在降压和升压操作模式下均采用电流模式控制，以实现卓越的负载和线路调节。开关频率由外部电阻器编程，可与外部时钟信号同步。
该设备还具有可编程软启动功能，并提供保护功能，包括逐周期限流、输入欠压锁定（UVLO）、输出过压保护（OVP）和热关机。此外，LM5175还具有可选的连续传导模式（CCM）或不连续传导模式（DCM）操作、可选的平均输入或输出电流限制、可选的用于降低峰值EMI的扩频，以及在持续过载条件下可选的hiccup模式保护。

图 1：具有峰值/谷电流模式控制器的四开关同步降压-升压转换器原理图。功率级大电流连接用红色表示。

功率级操作模式

图 1 是具有 4.5V-42V 输入范围和 12V 输出的四开关降压-升压 DC/DC 转换器的示意图。如本视频演示中所述，该转换器具有三种特定的操作模式，具体取决于相对于稳压输出电压设定点的输入电压：

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V IN > V OUT的降压模式。

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V IN < V OUT的升压模式。

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V IN接近 V OUT的降压-升压转换模式。

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使用等效电路将功率级建模为降压级和升压级的级联连接，我们可以根据工作模式找到每个金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的相关占空比。这是在输入电压和输出电流范围内获得效率和功率损耗的第一步。

转换器功率损耗

转换器功率损耗是最显着的组件功率损耗，并将在此处对其进行总结。我汇总了损耗以衡量它们对转换器效率的影响；见图 2。

· 功率 MOSFET 损耗：

· 与 R DS(on)相关的传导损耗。

· 开关损耗，包括体二极管反向恢复

· 体二极管传导造成的死区时间损失。

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电感铜损和磁芯损耗。

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分流电阻损耗。

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栅极驱动器损耗。

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脉宽调制 (PWM) 控制器偏置电源和静态损耗。

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图 2：四开关降压-升压转换器效率和组件功率损耗击穿与输入电压的关系，V OUT = 12V。

对这些损耗有本能的理解——尤其是对于需要减小尺寸的高密度设计——不仅有助于选择组件，而且为优化热设计和印刷电路板 (PCB) 布局铺平了道路。我使用提供 12V、6A 负载的400kHz 四开关降压-升压转换器设计测量了图 2 中的曲线。该设计在 6:1 的输入电压范围内实现了超过 95% 的效率。在降压-升压转换模式下，当 V IN等于 V OUT时达到峰值效率。

显然，在推动更小尺寸 DC/DC 转换器解决方案的过程中，我们可以成功地将通常相互排斥的两个特性结合起来：更低的组件温度和更高的可用功率。