如何準(zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗?
一個(gè)高質(zhì)量的開關(guān)電源效率高達(dá)95%,而開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管),所以正確的測(cè)量開關(guān)器件的損耗,對(duì)于效率分析是非常關(guān)鍵的。那我們?cè)撊绾螠?zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗呢?
一、開關(guān)損耗
由于開關(guān)管是非理想型器件,其工作過程可劃分為四種狀態(tài),如圖1所示。“導(dǎo)通狀態(tài)”表示開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài);“關(guān)閉狀態(tài)”表示開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài);“導(dǎo)通過程”是指開關(guān)管從關(guān)閉轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀態(tài);“關(guān)閉過程”指開關(guān)管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換成關(guān)閉狀態(tài)。一般來說,主要的能量損耗體現(xiàn)在“導(dǎo)通過程”和“關(guān)閉過程”,小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”,而“關(guān)閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0,可以忽略不計(jì)。
圖1 開關(guān)管四種狀態(tài)劃分
實(shí)際的測(cè)量波形圖一般如圖2示。
圖2 開關(guān)管實(shí)際功率損耗測(cè)試
二、導(dǎo)通過程損耗
晶體管開關(guān)電路在轉(zhuǎn)換過程中消耗的能量通常會(huì)很大,因?yàn)殡娐芳纳盘?hào)會(huì)阻止設(shè)備立即開關(guān),該狀態(tài)的電壓與電流處于交變的狀態(tài),因此很難直接計(jì)算功耗,以往的做法,將電壓與電流認(rèn)為是線性的,這樣可以通過求三角形的面積來粗略計(jì)算損耗,但這是不夠準(zhǔn)確的。對(duì)于數(shù)字示波器來說,通過都會(huì)提供高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能,因此可以使用下面的公式計(jì)算導(dǎo)通過程的損耗。
Eon表示導(dǎo)通過程的損耗能量
Pon表示導(dǎo)通過程的平均損耗功率(有功功率)
Vds、Id分別表示瞬時(shí)電壓和電流
Ts表示開關(guān)周期
t0、t1表示導(dǎo)通過程的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間
關(guān)閉過程損耗
關(guān)閉過程損耗與導(dǎo)通過程損耗計(jì)算方法相同,區(qū)別是積分的開始與結(jié)束時(shí)間不同。
Eoff表示關(guān)閉過程的損耗能量
Poff表示關(guān)閉過程的平均損耗功率(有功功率)
Vds、Id分別表示瞬時(shí)電壓和電流
Ts表示開關(guān)周期
t2、t3表示關(guān)閉過程的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間
三、導(dǎo)通損耗
導(dǎo)通狀態(tài)下,開關(guān)管通常會(huì)流過很大的電流,但開關(guān)管的導(dǎo)通電阻很小,通常是毫歐級(jí)別,所以導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p耗能量相對(duì)來說是比較少的,但亦不能忽略。使用示波器測(cè)量導(dǎo)通損耗,不建議使用電壓乘電流的積分的來計(jì)算,因?yàn)槭静ㄆ鳠o法準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)通時(shí)微小電壓。舉個(gè)例子,開關(guān)管通常關(guān)閉時(shí)電壓為500V,導(dǎo)通時(shí)為100mV,假設(shè)示波器的精度為±1‰(這是個(gè)非常牛的指標(biāo)),最小測(cè)量精度為±500mV,要準(zhǔn)確測(cè)量100mV是不可能的,甚至有可能測(cè)出來的電壓是負(fù)的(100mV-500mV)。
由于導(dǎo)通時(shí)的微小電壓,無法準(zhǔn)確測(cè)量,所以使用電壓乘電流的積分的方法計(jì)算的能量損耗誤差會(huì)很大。相反,導(dǎo)通時(shí)電流是很大的,所以能測(cè)量準(zhǔn)確,因此可以使用電流與導(dǎo)通電阻來計(jì)算損耗,如下面公式:
Econd表示導(dǎo)通狀態(tài)的損耗能量
Pcond表示導(dǎo)通狀態(tài)的平均損耗功率(有功功率)
Id分別表示瞬時(shí)電流
Rds(on)表示開關(guān)管的導(dǎo)通電阻,在開關(guān)管會(huì)給出該指標(biāo),如圖3所示
Ts表示開關(guān)周期
t1、t2表示導(dǎo)通狀態(tài)的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間
圖3 導(dǎo)通電阻與電流的關(guān)系
四、開關(guān)損耗
開關(guān)損耗指的是總體的能量損耗,由導(dǎo)通過程損耗、關(guān)閉過程損耗、導(dǎo)通損耗組成,使用下面公式計(jì)算:
五、開關(guān)損耗分析插件
高端示波器通常亦集成了開關(guān)損耗分析插件,由于導(dǎo)通狀態(tài)電壓測(cè)量不準(zhǔn)確,所以導(dǎo)通狀態(tài)的計(jì)算公式是可以修改的,主要有三種:
● UI,U和I均為測(cè)量值
● I2R,I為測(cè)量值,R為導(dǎo)通電阻,由用戶輸入Rds(on)
● UceI,I為測(cè)量值,Uce為用戶輸入的電壓值,用于彌補(bǔ)電壓電壓測(cè)不準(zhǔn)的問題。
一般建議使用I2R的公式,下圖是ZDS4000 Plus的開關(guān)損耗測(cè)試圖。
圖4 開關(guān)損耗測(cè)試結(jié)果圖
六、總結(jié)
開關(guān)損耗測(cè)試對(duì)于器件評(píng)估非常關(guān)鍵,通過專業(yè)的電源分析插件,可以快速有效的對(duì)器件的功率損耗進(jìn)行評(píng)估,相對(duì)于手動(dòng)分析來說,更加簡單方便。對(duì)于MOSFET來說,I2R的導(dǎo)通損耗計(jì)算公式是最好的選擇。