【经验】输入电压升高时电源电路的损耗增加部分、注意事项及相应的对策


本文中ROHM将通过输入电压升高的案例,来探讨电源电路的损耗增加部分、注意事项及相应的对策。
对于DC/DC转换器的输入电源来说,通常工业设备的12V总线等几乎是恒定电压,而汽车的电池电压等虽然标称12V,但需要考虑到瞬态波动等因素,设想相当宽范围的电压进行设计。
本文将在“输入电压12V,最高达60V”的条件下来探讨效率。
下面是同步整流降压转换器的电路简图以及发生损耗的位置。关于发生位置,用红色简称来表示。
<随着输入电压 VIN 的升高而增加的损耗因素>
・开关损耗
从公式可以看出,开关损耗随VIN的升高而增加,由于是乘法算式,因此将会造成很大的影响。
下面来实际计算一下当VIN为12V和60V时的损耗。
PSWH(12VIN)=0.5×12V×2A×(20 nsec+20 nsec)×1MHz=0.48W
PSWH(60VIN)=0.5×60V×2A×(20 nsec+20 nsec)×1MHz=2.4W
VIN升高了5倍,所以计算后开关损耗也增加了5倍。下图为相对于输入电压的整体损耗变化示意图。基本上开关损耗是主要增加的损耗。
考虑因素及对策
要将输入电压范围扩展为12V~60V,需要对当初选择用于12VIN的MOSFET重新评估包括额定电压(耐压)在内的几项规格。以下汇总了重新评估要点和注意事项。
· 在使用开关晶体管(MOSFET)外置的控制器IC的案例中,重新评估MOSFET的额定电压(VD)。
· 开关损耗会增加,因此MOSFET的容许损耗也需要重新评估。
· 随着MOSFET的变更,探讨采用tr和tf更快且导通电阻和Qg低的产品。
· 电源规格中,如果能够降低开关频率就将其降低。如果将fSW减半(降至500kHz),则损耗也会减半。
· 如果是开关晶体管内置型的IC,则需要对IC本身进行评估。
至此仅考虑了损耗方面的因素,其实在涉及更高输入电压时,还有一项考虑因素。虽然并非本文的主题内容,但在现实中是非常重要的,因此在这里提一下。
应该是将最大60VIN降压至5VOUT,但降压比受电源IC的控制参数之一的最小导通时间的限制,故必须对降压比和最小导通时间进行探讨。由于降压比是60:5,按开关频率1MHz进行简单计算的话,需要能够控制周期1µs的1/12、即83.3ns的导通时间的电源IC。然而,现实中最小导通时间83.3ns以下的电源IC并不多。在ROHM的产品中,DB9V100MUFF这款电源IC可以满足该条件,但在多数情况下,很多产品因无法满足最小导通时间要求而被迫降低开关频率。如果降低开关频率,则不仅需要重新确认损耗,其他相关的所有元器件常数等都需要重新确认。但在车载设备中,基本上都要求2MHz以上的开关频率,因此无法通过降低开关频率来解决该问题。
综上所述,在探讨高电压应用时,需要考虑到降压比和损耗增加这两方面的因素。
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