DC/DC與電壓調整器不同,隨IC控制方式、特性(消耗電流、工作頻率、驅動器FET的導通電阻等)或外圍部件的定數及特性,效率及損耗也不同。
因此,選定外圍部件時,考慮效率、安裝面積、成本等是非常重要的。
本篇首先說明DC/DC的損耗、損耗比率圖形的使用方法。
然後通過說明各個項目及給損耗帶來影響的參數,做出選定最佳IC及外圍部件的方針。
1. 關於DC/DC的損耗
DC/DC損耗是把“導通損耗”、“開關損耗”、“消耗電流”、“線圈損耗”、“其他”損耗總和在一起,稱為DC/DC的整體損耗。明確了這個整體損耗,即可計算除各個輸出電流的效率。
本工具可以簡單地確認各個損耗的損耗比率。
這種方法在改善效率的領域中,通過掌握損耗大的項目,能進行有效地提高效率。
此外,通過在不影響效率的範圍內降低外圍部件的成本,在考慮成本選定最佳部件中能得到靈活運用。
2. DC/DC損耗的詳細內容、影響損耗的參數
(a) 導通損耗
是由於驅動器FET導通電阻、二極管VF損耗產生的損耗。
驅動器FET導通電阻及二極管VF增大將導致損耗增大。因為起因於導通電阻的損耗與電流的2次方成比例,主要在於影響重負載時的效率。
外接了FET及二極管的產品,通過選擇導通電阻及VF小的產品,可以降低導通損耗。內置了驅動器FET時,除更改產品以外不能調整導通電阻。
但是,減小驅動器FET的導通電阻,柵極電容增大,為驅動FET而使用的消耗電流增加。此外,如果選定VF小的SBD,漏電流有增加的趨勢,漏電流將導致輕負載時的效率降低。
Q1 Ron | 在驅動器FET或外接FET Q1發生的導通損耗 |
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Q2 Ron | 在驅動器FET或外接FET Q2發生的導通損耗 |
D1 | 在外接二極管發生的導通損耗 |
(b) 開關損耗
開關時的開關節點上升及下降時發生的損耗。
開關損耗與開關節點的電壓振幅、上升及下降速度、線圈電流(輸出電流)、工作頻率成比例地增加。
因為與輸出電流成比例,主要在於影響重負載時的效率。
出為了降低開關損耗
- 選定工作頻率低的產品、或選定能降低工作頻率的外圍部件
- 如果是外接FET,應減小柵極電阻
- 通過減少外接FET的柵極電容,加快開關速度
以上是一般的方法。
使開關速度加快時,存在高頻噪聲電平增高的缺點。
此外,減小柵極電容時,因為對於相同工藝的FET,導通電阻有增大的趨勢,進行選定FET時,有必要考慮開關損耗與導通損耗的平衡。
此外本工具中,包含了在”Switching Loss”的死區中發生的損耗。
死區是為了防止在同步整流方式的DC/DC High Side驅動器與Low Side驅動器,同時成為ON的期間而特意設置的,也就是High Side驅動器與Low Side驅動器同時成為OFF的期間。在死區期間中,將發生線圈電流在驅動器FET的寄生二極管中流動的損耗。
Switching Loss | 發生在開關節點上升和下降時的開關損耗 +在死區發生的損耗 |
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(c) 消耗電流
是在IC的內部電路、為驅動驅動器FET而使用的消耗電流。
依存於IC的消耗電流、開關頻率、驅動器FET柵極電容。主要在於影響輕負載時的效率。
為了減少消耗電流
- 選定消耗電流低的產品
- 為了降低開關頻率,選擇PFM控制方式的DC/DC
- 選定柵極電容小的驅動器FET
以上是一般的方法。
關於IC的消耗電流、控制方式、開關頻率,對於選定DC/DC非常重要。
此外,在減小柵極電容時,因為相同工藝的FET有導通電阻增大的趨勢,在進行選定FET時,有必要考慮與導通損耗的平衡。
Supply Current | IC內部電路動作、驅動器FET驅動時使用的消耗電流 |
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(d) 線圈損耗
是在線圈發生的損耗。
主要是由線圈的DCR、ACR等發生的損耗。
DCR是DC的電阻成分,線圈電流增大將發生與線圈電流的2次方成比例的損耗。主要在於影響重負載時的效率。
ACR是AC的電阻成分,由於表皮效應的影響,頻率增高,導致電阻成分增加。主要在線圈電流振幅增大,DC電流小的PFM時影響效率。
隨電感器不同,從電感器製造商的網站可以確認ACR特性。
本工具不能輸入ACR,是與DCR成一定的倍率而設計的。
如果希望輸入ACR實施模擬時,請單獨諮詢。
Coil | 由線圈的DCR、ACR、磁滯損耗發生的損耗 |
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(e) 其他
上述以外的其他損耗。
本工具作為上述以外的損耗,還能計算由輸入線的電阻成分(Rvin)及輸出電容ESR引起的損耗。
輸入線的電阻成分(Rvin),如果電阻值增大、將使效率大幅度降低並給最大輸出電流帶來很大影響,必須充分考慮進行設計。
ESR | 在輸出電容ESR發生的損耗 |
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Rvin | 由輸入線的電阻成分發生的損耗 |