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【技術文章】準確測量開關損耗

2019-06-27

  一個高質量的開關電源效率高達95%,,而開關電源的損耗大部分來自開關器件(MOSFET和二極管),,所以正確的測量開關器件的損耗,,對于效率分析是非常關鍵的。那我們該如何準確測量開關損耗呢,?

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  由于開關管是非理想型器件,,其工作過程可劃分為四種狀態(tài),如圖1所示,?!皩顟B(tài)”表示開關管處于導通狀態(tài);“關閉狀態(tài)”表示開關管處于關閉狀態(tài),;“導通過程”是指開關管從關閉轉換成導通狀態(tài),;“關閉過程”指開關管從導通轉換成關閉狀態(tài)。一般來說,,主要的能量損耗體現(xiàn)在“導通過程”和“關閉過程”,,小部分能量體現(xiàn)在“導通狀態(tài)”,而“關閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0,,可以忽略不計,。

  

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  圖1  開關管四種狀態(tài)劃分

  實際的測量波形圖一般如圖2示。

  

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  圖2  開關管實際功率損耗測試

  二、導通過程損耗

  晶體管開關電路在轉換過程中消耗的能量通常會很大,,因為電路寄生信號會阻止設備立即開關,,該狀態(tài)的電壓與電流處于交變的狀態(tài),因此很難直接計算功耗,,以往的做法,,將電壓與電流認為是線性的,這樣可以通過求三角形的面積來粗略計算損耗,,但這是不夠準確的,。對于數(shù)字示波器來說,通過都會提供高級數(shù)學運算功能,,因此可以使用下面的公式計算導通過程的損耗。

  

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  Eon表示導通過程的損耗能量

  Pon表示導通過程的平均損耗功率(有功功率)

  Vds,、Id分別表示瞬時電壓和電流

  Ts表示開關周期

  t0,、t1表示導通過程的開始時間與結束時間

  關閉過程損耗

  關閉過程損耗與導通過程損耗計算方法相同,區(qū)別是積分的開始與結束時間不同,。

  

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  Eoff表示關閉過程的損耗能量

  Poff表示關閉過程的平均損耗功率(有功功率)

  Vds,、Id分別表示瞬時電壓和電流

  Ts表示開關周期

  t2、t3表示關閉過程的開始時間與結束時間

  三,、導通損耗

  導通狀態(tài)下,,開關管通常會流過很大的電流,但開關管的導通電阻很小,,通常是毫歐級別,,所以導通狀態(tài)下?lián)p耗能量相對來說是比較少的,但亦不能忽略,。使用示波器測量導通損耗,,不建議使用電壓乘電流的積分的來計算,因為示波器無法準確測量導通時微小電壓,。舉個例子,,開關管通常關閉時電壓為500V,導通時為100mV,,假設示波器的精度為±1‰(這是個非常牛的指標),,最小測量精度為±500mV,要準確測量100mV是不可能的,,甚至有可能測出來的電壓是負的(100mV-500mV),。

  由于導通時的微小電壓,無法準確測量,,所以使用電壓乘電流的積分的方法計算的能量損耗誤差會很大,。相反,導通時電流是很大的,所以能測量準確,,因此可以使用電流與導通電阻來計算損耗,,如下面公式:

  

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  Econd表示導通狀態(tài)的損耗能量

  Pcond表示導通狀態(tài)的平均損耗功率(有功功率)

  Id分別表示瞬時電流

  Rds(on)表示開關管的導通電阻,在開關管會給出該指標,,如圖3所示

  Ts表示開關周期

  t1,、t2表示導通狀態(tài)的開始時間與結束時間

  

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  圖3  導通電阻與電流的關系

  四、開關損耗

  開關損耗指的是總體的能量損耗,,由導通過程損耗,、關閉過程損耗、導通損耗組成,,使用下面公式計算:

  

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  五,、開關損耗分析插件

  高端示波器通常亦集成了開關損耗分析插件,由于導通狀態(tài)電壓測量不準確,,所以導通狀態(tài)的計算公式是可以修改的,,主要有三種:

  ●  UI,U和I均為測量值

  ●  I2R,,I為測量值,,R為導通電阻,由用戶輸入Rds(on)

  ●  UceI,,I為測量值,,Uce為用戶輸入的電壓值,用于彌補電壓電壓測不準的問題,。

  一般建議使用I2R的公式,,下圖是ZDS4000 Plus的開關損耗測試圖。

  

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  圖4  開關損耗測試結果圖

  六,、總結

  開關損耗測試對于器件評估非常關鍵,,通過專業(yè)的電源分析插件,可以快速有效的對器件的功率損耗進行評估,,相對于手動分析來說,,更加簡單方便。對于MOSFET來說,,I2R的導通損耗計算公式是最好的選擇,。


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