一．定义DC-DC转换效率的定义是输入与输出功率之比：
其中POUT代表输出功率，PIN代表输入功率，PLOSS代表损失的功率。 二．影响因素
图1 BUCK电路开关管导通和截止的电流回路 如图1所示为BUCK电路中开关管导通和截止时的电流回路示意图。开关管导通时，电源VIN、开关管开关管Q1、电感L、负载Rload 形成一个大回路，电感和输出电容蓄能；开关管关闭时，电感L、负载Rload、续流二极管Q2形成回路，输出电容COUT与Rload形成回路，电感L与输出电容COUT向负载Rload放电。通过调节开关管的导通和断开时间，即PWM波的占空比，可以控制输出电压的稳定调节。 了解BUCK电路的工作环路后，先来捋捋有哪一些因素会影响DC-DC电路的转换效率。 1. 开关管损耗在开关管Q1导通阶段，输入电源VIN，经过开关管Q1向电感L和输出电容COUT充电，同时给负载提供电源。 1）传导损耗开关管传导损耗是由其导通电阻引起的，计算公式为：
其中 I：流过开关管的电流； Rdson：开关管的导通电阻； TON：开关管在导通状态下的持续时间。 2）开关损耗开关损耗是由开关的非理想状态引起的。开关管从完全导通到完全关闭或者从完全关闭到完全导通需要一定时间，在这个过程会产生功率损耗，包括开通损耗PON和关断损耗POFF，如图1所示。 开通损耗：开关管从关断状态切换到导通状态过程中产生的损耗； 关断损耗：开关管从导通状态切换到关断状态过程中产生的损耗。
图2 MOS管导通损耗和关断损耗的产生机制 2. 二极管损耗在开关管Q1断开阶段，电感L向负载Rload放电，并通过二极管Q2形成回路。 1）传导损耗二极管正向导通时存在导通压降VF。二极管损耗大小与正向电流、二极管导通压降以及导通时间正正比。其计算公式：
其中ID为二极管导通期间的平均电流，TOFF为二极管导通时间。 2）开关动态损耗开关损耗是二极管在切换过程中产生的损耗，也称为过渡损耗。开关损耗主要与二极管的切换速度、切换电流、导通电流等参数有关。包括二极管从截止状态到导通状态是的开通损耗和从导通状态到反向截止状态时的关断损耗。
图3 二极管开通和关断损耗 3）截止损耗截止损耗是二极管在截止状态下的功率损耗，也称为反向恢复损耗。在反向截止时，二极管中会产生存储电荷，当二极管正向导通时，这些存储电荷会在二极管中流动，产生反向电流。这种反向电流会导致二极管损耗能量，称为反向恢复损耗。截止损耗主要与二极管反向耐压、反向导通时间以及反向恢复时间参数有关。 3. 电感损耗电感损耗主要包括线圈损耗和磁芯损耗两种，线圈损耗又包括直流电阻损耗和交流电阻损耗，磁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗。 1）直流电阻损耗电感线圈具有一定的直流阻抗，当电流流过线圈时，线圈直流电阻会消耗一部分能量。 线圈的直流阻抗与线圈线长成正比，与线圈截面积成反比。 2）交流阻抗损耗在DC-DC电路中，流过电感的电流并不是恒定的，成周期性变化，包含直流成分和交流成分。由交流成分产生的阻抗称之为交流阻抗，这部分阻抗也会造成一些功耗。 3）磁滞损耗磁芯在外磁场的作用下，材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了弹性转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时，磁场的能量包括两部分：前者转化为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗。
图4 磁滞曲线 4）涡流损耗交流电通过线圈，产生变化磁场，进而在磁芯上面形成环形电场，由于磁芯材料的电阻率不是无限大，会有一定的电阻值，因此感生出的环形电场会使磁芯中形成环形电流。电流流过电阻，就会产生发热损耗。这部分损耗就是涡流损耗。
图5 涡流损耗 5）剩余损耗磁芯在磁化过程中，磁化状态并不是随磁化强度的变化立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，称之为磁化弛豫效应或者磁性滞后效应。剩余损耗就是由此引起的。 4. 输出电容损耗电容器都有个“损耗角的正切值”参数，其定义是：电容器在额定频率正弦波电压下工作时，损耗角的正切值tgδ等于它的损耗功率Ps与无功功率Pw之比，即tgδ=Ps/Pw。该值越大，电容器的损耗也就越大。 电容器损耗主要包含两方面：金属损耗和介质损耗。其中介质损耗又分为漏电损耗、电离损耗和极化损耗。 1）金属损耗电容器的金属损耗是指金属部件电阻产生的损耗，包括极板金属电阻、引脚电阻、引脚与极板的接触电阻。 2）泄漏损耗任何绝缘介质都不是理想的绝缘体，总会有极少部分电荷通过介质在两极板间移动。电容器也存在这种现象，即电容的漏电流。由这部分造成的电能损耗称为漏电损耗。 3）电离损耗一个电容器的极板边缘存在着空气间隙，当极板气隙之间的电压超过电离电压，极板边缘就有电荷分离出来，穿过绝缘介质最薄弱的空气间隙发生放电，形成电能损耗，这就是电离损耗。 4）极化损耗电容器在导通交流电时，还存在一种由于介质内偶极子旋转产生的损耗，称为极化损耗。 三．如何优化在了解DC-DC电路转换效率的影响因素后，可以针对性做一些优化。 1. 开关管优化1）采用分立MOS的方案
2）采用集成MOS方案 最好选用DrMOS方案，有效降低MOS连接引入的寄生电阻。 3）对于选用内部集成MOS管的电源IC，降低MOS管两端的电压降，即输入输出的电压差，也可以有效降低损耗。 2. 二极管优化肖特基二极管具有更低的正向压降，反向恢复更快，造成的Qrr更小。在DC-DC电路中采用肖特基二极管是目前最佳选择。 3. 电感优化电感的损耗主要是线圈损耗和磁芯损耗，在磁芯材料相同的情况下，选用DCR较小的电感，降低线圈损耗。 4. 输出电容优化选用损耗角正切值tgδ小的电容，有效降低电容造成的损耗； 5. 其他优化
四．参考资料1. https://blog.csdn.net/wanghuiwenjoy/article/details/117441024 2. http://www.360doc.com/content/24/0417/08/72148632_1120616003.shtml 3. https://blog.csdn.net/weixin_43309350/article/details/137086597 |
|
|
