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BUCK型開關電源的損耗與效率計算

   在BUCK型開關電源中,如果沒有損耗,那效率就是100%,但這是不可能的,BUCK型開關電源中主要的損耗是導通損耗和交流開關損耗,導通損耗主要是指MOS管導通后的損耗和肖特基二極管導通的損耗(是指完全導通后的損耗,因為導通不是瞬間導通,有個從線性區到非線性區的過程),在MOS管導通時,由于存在導通電阻,那么流過電流就必然存在導通損耗,而肖特基導通損耗是指在MOS管關閉期間,由于電感的電流不能突變加上電感反沖現象,會產生與MOS管導通時的相反電壓方向,從而使肖特基導通,流過的電流會在肖特基上產生損耗。由于MOS管在導通的時候,流過其的電流不是瞬間達到最大,此時電流有個從零逐漸上升到最大的過程,此時MOS管漏源(DS)之間的電壓也是從Vdc逐漸下降到零,MOS管關閉的時候也存在此情況,只是與打開的時候過程相反,那么在這逐漸的過程中就會產生損耗,這就是交流開關損耗,交流開關損耗包括MOS管打開和關閉損耗,交流開關損耗與開關的頻率成正比,因為一開一關的次數越多,損耗自然就大了。
     在忽略交流開關損耗的情況下,假設輸入電壓Vdc,輸出電壓為Vo,MOS管導通時間為Ton,關閉時間為Toff,整個周期為T,即T=Ton+Toff。在MOS管導通期間流過的平均電流為Io,由于電感電流不能突變,那么在MOS管關閉期間流過肖特基的平均電流也為Io,在MOS管和肖特基導通期間產生的壓差基本為1V,那么導通損耗=P(mos管)+P(肖特基)=1*Io*Ton/T+1*Io*Toff/T=1*Io。那么此時的效率E=Po/(Po+Plosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Io)=Vo/Vo+1。
   在考慮交流開關損耗的時候,基本交流開關損耗可以分兩種情況來考慮,第一種情況是MOS管導通期間,電流開始上升的時候電壓同時開始下降,MOS管關閉期間電流開始下降的時候電壓同時上升,此種情況也是最理想的情況(一般實際情況很難達到),那么在此情況下,交流開關損耗=整個開關周期的導通損耗+整個開關周期的關斷損耗=(時間從0到Ton,流過電流和電壓剩積的積分)*(Ton/T)+(時間從0到Toff,流過電流和電壓剩積的積分)*(Toff/T)=Io*Vdc/6*(Ton/T)+Io*Vdc/6*(Toff/T)。
     設Ton=Toff=Ts(理論上MOS管打開瞬間電流從0上升到最大與MOS管關斷瞬間從最大下降到0的時間是一樣),所以交流開關損耗Pac=Io*Vdc*Ts/3T。則此時的效率E=Po/(Po+DClosse+AClosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(Io*Vdc*Ts/3T)=Vo/(Vo+1+Vdc*Ts/T) 上面是在考慮交流開關損耗的理想情況下的效率,那么第二種情況就是在最差的情況下,即MOS管導通時,電流從0達到最大后,電壓才開始下降,而不是同時,MOS管關閉時,電壓上升到最大后,電流才開始從0開始下降,一般這種情況更接近真實情況,那么此種情況下,交流開關損耗=整個開關周期的導通損耗+整個開關周期的關斷損耗=Io*Vdc*Ts/T+Io*Vdc*Ts/T=2*Io*Vdc*Ts/T。所以此時效率E=Po/(Po+DClosse+AClosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(2*Io*Vdc*Ts/T)=Vo/(Vo+1+2*Vdc*Ts/T)。
     以上的(de)(de)效率計算是(shi)在(zai)(zai)(zai)沒有(you)考慮肖(xiao)特(te)基的(de)(de)反向(xiang)(xiang)恢(hui)復時(shi)間(jian)(jian)(jian)的(de)(de)情況下,實際(ji)的(de)(de)效率可能還(huan)會比以上計算的(de)(de)低,反向(xiang)(xiang)恢(hui)復時(shi)間(jian)(jian)(jian)是(shi)指二極(ji)(ji)(ji)管從承受反向(xiang)(xiang)電(dian)壓(ya)的(de)(de)瞬間(jian)(jian)(jian)到完全停止(zhi)流過反向(xiang)(xiang)漏電(dian)流所(suo)經(jing)歷的(de)(de)時(shi)間(jian)(jian)(jian),因為二極(ji)(ji)(ji)管在(zai)(zai)(zai)反向(xiang)(xiang)截(jie)(jie)止(zhi)時(shi)不可能瞬間(jian)(jian)(jian)截(jie)(jie)止(zhi),也是(shi)有(you)一個(ge)過程的(de)(de)。應該使用(yong)反向(xiang)(xiang)恢(hui)復時(shi)間(jian)(jian)(jian)在(zai)(zai)(zai)35ns~50ns的(de)(de)超(chao)快恢(hui)復二極(ji)(ji)(ji)管作為續流二極(ji)(ji)(ji)管,該損耗(hao)與開關頻率成正比。

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