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开关损耗的准确测量

ZLG致远电子 2019-07-31 16:54 次阅读

一个高质量的开关电源效率高达95%,而开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET二极管),所以正确的测量开关器件的损耗,对于效率分析是非常关键的。那我们该如何准确测量开关损耗呢?

开关损耗

由于开关管是非理想型器件,其工作过程可划分为四种状态,如图1所示。“导通状态”表示开关管处于导通状态;“关闭状态”表示开关管处于关闭状态;“导通过程”是指开关管从关闭转换成导通状态;“关闭过程”指开关管从导通转换成关闭状态。一般来说,主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”,小部分能量体现在“导通状态”,而“关闭状态”的损耗很小几乎为0,可以忽略不计。

图1 开关管四种状态划分

实际的测量波形图一般如图2所示。

图2 开关管实际功率损耗测试

导通过程损耗

晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会很大,因为电路寄生信号会阻止设备立即开关,该状态的电压与电流处于交变的状态,因此很难直接计算功耗,以往的做法,将电压与电流认为是线性的,这样可以通过求三角形的面积来粗略计算损耗,但这是不够准确的。对于数字示波器来说,通过都会提供高级数学运算功能,因此可以使用下面的公式计算导通过程的损耗。

Eon表示导通过程的损耗能量;

Pon表示导通过程的平均损耗功率(有功功率);

Vds、Id分别表示瞬时电压和电流;

Ts表示开关周期;

t0、t1表示导通过程的开始时间与结束时间。

关闭过程损耗

关闭过程损耗与导通过程损耗计算方法相同,区别是积分的开始与结束时间不同。

Eoff表示关闭过程的损耗能量;

Poff表示关闭过程的平均损耗功率(有功功率);

Vds、Id分别表示瞬时电压和电流;

Ts表示开关周期;

t2、t3表示关闭过程的开始时间与结束时间。

导通损耗

导通状态下,开关管通常会流过很大的电流,但开关管的导通电阻很小,通常是毫欧级别,所以导通状态下损耗能量相对来说是比较少的,但亦不能忽略。使用示波器测量导通损耗,不建议使用电压乘电流的积分的来计算,因为示波器无法准确测量导通时微小电压。举个例子,开关管通常关闭时电压为500V,导通时为100mV,假设示波器的精度为±1‰(这是个非常牛的指标),最小测量精度为±500mV,要准确测量100mV是不可能的,甚至有可能测出来的电压是负的(100mV-500mV)。

由于导通时的微小电压,无法准确测量,所以使用电压乘电流的积分的方法计算的能量损耗误差会很大。相反,导通时电流是很大的,所以能测量准确,因此可以使用电流与导通电阻来计算损耗,如下面公式:

Econd表示导通状态的损耗能量;

Pcond表示导通状态的平均损耗功率(有功功率);

Id分别表示瞬时电流;

Rds(on)表示开关管的导通电阻,在开关管会给出该指标,如图2所示;

Ts表示开关周期;

t1、t2表示导通状态的开始时间与结束时间。

图3 导通电阻与电流的关系

开关损耗

开关损耗指的是总体的能量损耗,由导通过程损耗、关闭过程损耗、导通损耗组成,使用下面公式计算:

开关损耗分析插件

高端示波器通常亦集成了开关损耗分析插件,由于导通状态电压测量不准确,所以导通状态的计算公式是可以修改的,主要有三种:

UI,U和I均为测量值;

I²R,I为测量值,R为导通电阻,由用户输入Rds(on);

UceI,I为测量值,Uce为用户输入的电压值,用于弥补电压电压测不准的问题。

一般建议使用I²R的公式,下图是ZDS4000 Plus的开关损耗测试图。

图4 开关损耗测试结果图

总结

开关损耗测试对于器件评估非常关键,通过专业的电源分析插件,可以快速有效的对器件的功率损耗进行评估,相对于手动分析来说,更加简单方便。对于MOSFET来说,I²R的导通损耗计算公式是最好的选择。

原文标题:如何准确测量开关损耗?

文章出处:【微信号:ZLG_zhiyuan,微信公众号:ZLG致远电子】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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发表于 07-30 08:02 534次 阅读

NCP59302 LDO稳压器 3A 低压差 高PSRR 快速瞬态响应

02是一款高精度,极低压差(VLDO),低接地电流正电压稳压器,能够提供超过3.0 A的输出电流,典型压差低于300 mV,负载电流为3.0 A 。该器件采用陶瓷输出电容稳定。该器件可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。逻辑电平使能引脚可用。 NCP59302是一款可调电压器件,采用D2PAK-5封装。 特性 优势 在完整的3.0 A负载下300 mV典型的压差。 无需使用开关稳压器即可生成辅助电源轨 低接地电流 - 在3安培负载下典型值为60 mA 可最大限度地降低功率损耗调节器 在输出端使用陶瓷电容器稳定 避免昂贵的极化钽电容器 提供NCV版本适用于汽车应用 符合AECQ100标准且支持PPAP。 最大电压输入18V 适用于汽车和网通应用 输出电流超过3安培 汽车模块 应用 终端产品 用于FPGA,DSP和处理器的负载 开关电源后调节 服务器和网络设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 08:02 495次 阅读

NCP59150 LDO稳压器 1.5 A 低压差 快速瞬态响应

50系列是一款高精度,极低压差,低接地电流的正电压稳压器,能够提供超过1.5 A的输出电流,典型压差低于300 mV。该器件的输入工作电压范围为2.24V至13.5V,最大输入电压容差为18V。内部保护功能包括输出电流限制,热关断和反向输出电流保护。该器件可用作可调稳压器(NCP59152)或固定电压选项(NCP59150和NCP59151)。 NCP59151器件包括一个使能功能和一个输出错误标志。 特性 优势 输出电流超过1.5安培 低电压下的高电流输出 750 mA时175 mV典型压差1.5 A处的输出和300 mV典型压差 生成辅助电源轨而无需使用切换调节器 低接地电流 - 在1.5 mA负载下典型值为40 mA 最大限度地减少调节器的功率损耗 在输出端使用陶瓷电容器稳定 昂贵的钽电容器的成本效益解决方案 适用于Aut的NCV版本omotive应用 符合AECQ100标准且支持PPAP 最高电压输入高达18V 适用于汽车和网通应用程序 应用 终端产品 FPGA,DSP和处理器的负载点 开关电源调节后 服务器和网络设备 汽车模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 08:02 257次 阅读

NCP58300 LDO稳压器 3A 低压差 快速瞬态响应

00系列是高精度,极低压差(VLDO),低接地电流正电压稳压器,能够提供超过3.0 A的输出电流,典型压差低于370 mV,负载电流为3.0 A这些器件采用钽输出电容稳定。该系列最初由可调输出电压版本组成,未来计划采用固定电压版本。 NCP58300系列可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。 5引脚版本提供逻辑电平使能和错误标志引脚。 NCP58302是一款可调节电压器件,采用D2PAK-5封装。 特性 优势 完全3.0 A负载时370 mV典型压差 无需使用开关调节器即可生成辅助电源轨 低接地电流 - 在3.0 A负载下典型值为50 mA 最大限度地降低稳压器的功率损耗 输出上的钽电容稳定 指定使用钽电容稳定 提供NCV版本适用于汽车应用 符合AEC-Q100标准且支持PPAP 最高电压输入高达18 V 适用于汽车和网通应用 输出电流超过3安培 汽车模块 应用 终端产品 FPGA,DSP和处理器的负载点 开关电源调节后 服务器和网络设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 08:02 249次 阅读

NCP57302 LDO稳压器 3A 低压差 高PSRR 快速瞬态响应

02是一款高精度,极低压差(VLDO),低最小输入电压和低接地电流正电压稳压器,能够提供超过3.0 A的输出电流,典型压差为315 mV at 3.0负载电流和1.8 V及以上的输入电压。该器件采用陶瓷输出电容稳定。该器件可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。逻辑电平使能引脚可用。 NCP57302是一款可调电压器件,采用D2PAK-5封装。 特性 输出电流超过3.0 A 全3 A输出电流的最小工作输入电压1.8 V 315 mV 3.0 A时的典型压差电压 可调节输出电压范围1.24 V至13 V 低接地电流 快速瞬态响应 开关电源后调节 陶瓷输出电容稳定 逻辑兼容使能引脚 电流限制,反向电流和热量关机保护 工作电压高达13.5 V 汽车和其他应用的NCV前缀需要独特的站点和控制变更要求; AECQ100合格和PPAP能力 这些是无铅设备 应用 终端产品 工业标准MIC29300,MIC39300,MIC37300的功能替代,具有改进的最小输入电压规格 消费者和工业设备点监管 服务器和网络设备 FPGA,DSP和逻辑电源 电池充...
发表于 07-30 08:02 779次 阅读

NCP57152 LDO稳压器 1.5 A 低压差 快速瞬态响应

52是一款高精度,极低压差(VLDO),低最小输入电压和低接地电流正电压稳压器,能够提供超过1.5 A的输出电流,典型压差为330 mV at 1.5负载电流和1.8 V及以上的输入电压。该器件采用陶瓷输出电容稳定。该器件可承受高达18 V的最大输入电压。内部保护功能包括输出电流限制,内置热关断和反向输出电流保护。逻辑电平使能和错误标志引脚可用。 NCP57152是一款可调节电压器件,采用D2PAK-5和DFN8封装。 特性 输出电流超过1.5 A 1.5 A输出电流的最小工作输入电压1.8 V 330 mV典型压差电压1.5 A 可调输出电压范围从1.24 V到13 V 低接地电流 快速瞬态响应 陶瓷稳定输出电容器 逻辑兼容使能和错误标志引脚 电流限制,反向电流和热关断保护 高达13.5 V输入电压的操作 NCV前缀适用于需要独特站点和控制变更要求的汽车和其他应用; AECQ100合格和PPAP能力 这些是无铅设备 应用 终端产品 具有改进的最小输入电压规格的工业标准MIC29150,MIC39150,MIC37150的功能替换 消费者和工业设备监管点 服务器和网络设备 FPGA,DSP和逻...
发表于 07-30 07:02 324次 阅读

MC34268 LDO稳压器 800 mA 2.85 V SCSI-2有源端接器

8是一款中等电流,低压差(LDO)正线性稳压器,专为SCSI-2有源终端电路而设计。该器件为电路设计人员提供了一种经济的精密电压调节解决方案,同时将功率损耗降至最低。线性稳压器由1.0 V压差复合PNP / NPN传输晶体管,限流和热限制组成。该LDO采用SOIC-8和DPAK-3表面贴装功率封装。 应用包括有源SCSI-2端接器和开关电源的后置调节。 特性 2.85 V SCSI-2有源端接的输出电压 1.0 V Dropout 输出电流超过800 mA 热保护 短路保护 输出调整为1.4%容差 无需最低负载 节省空间的DPAK-3,SOT-223和SOIC-8表面贴装电源包 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 06:02 324次 阅读
MC34268 LDO稳压器 800 mA 2.85 V SCSI-2有源端接器

NCV2575 降压转换器 开关稳压器 可调输出电压 1.0 A.

系列降压开关稳压器是单片集成电路,非常适合简单方便地设计降压型开关稳压器(降压转换器)。该系列的所有电路均能够以极佳的线路和负载调节驱动1.0 A负载。这些器件提供3.3 V,5.0 V,12 V,15 V的固定输出电压和可调输出版本。 此降压开关稳压器旨在最大限度地减少外部元件的数量,从而简化电源设计。标准系列电感器针对LM2575进行了优化,由多家不同的电感器制造商提供。 由于LM2575转换器是一种开关电源,与传统的三端线性稳压器相比,其效率要高得多,特别是在输入电压较高的情况下。在许多情况下,LM2575稳压器消耗的功率非常低,不需要散热器,也不会大幅降低其尺寸。 LM2575的特性包括在指定的输入电压和输出负载条件下保证4%的输出电压容差,以及振荡器频率的+/- 10%(0C至125C的+/- 2%)。包括外部关断,具有80 uA典型待机电流。输出开关包括逐周期电流限制,以及在故障条件下进行全保护的热关断。 特性 3.3 V,5.0 V,12 V ,15 V和可调输出版本 可调版本输出电压范围为1.23 V至37 V +/- 4%最大线路和负载条件 保证1.0 A输出电流 宽输入电压范围:4.75 V至40 V 仅需要4个外部元件 ...
发表于 07-30 01:02 379次 阅读

SG3525A PWM控制器

A PWM控制器用于控制所有类型的开关电源,可提供更高的性能和更少的外部元件数量。片内+5.1 V基准电压调整为+/- 1%,误差放大器的输入共模电压范围包括参考电压,因此无需外部分压电阻。振荡器的同步输入使多个单元可以从属,或者单个单元与外部系统时钟同步。通过连接在CT和放电引脚之间的单个电阻可以编程大范围的死区时间。该器件还具有内置软启动电路,仅需外接定时电容。关断引脚控制软启动电路和输出级,通过脉冲关断的PWM锁存器提供瞬时关断,以及具有更长关断命令的软启动循环。当VCC低于标称值时,欠压锁定会禁止输出和软启动电容的变化。输出级采用图腾柱设计,能够吸收和输出超过200 mA的电流。 SG3525A的输出级具有NOR逻辑,导致关闭状态的低输出。 特性 8.0 V至35 V操作 5.1 V +/- 1.0%修剪参考 100 Hz至400 kHz振荡器范围 单独的振荡器同步引脚 可调节死区时间控制 输入欠压锁定 锁存PWM以防止多个脉冲 逐脉冲关机 双源/灌电流输出:+/- 400 mA峰值 无铅封装可用* 应用 半桥 推拉式 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 21:02 1034次 阅读
SG3525A PWM控制器

ACPL-W349-000E 2.5A输出电流SiC / GaN MOSFET和IGBT栅极驱动光电耦合器

Broadcom ACPL-W349是一款高速2.5A栅极驱动光电耦合器件,它包含一个AlGaAs LED,光耦合到具有功率输出的集成电路阶段。该器件非常适合驱动用于功率转换应用的SiC / GaN(碳化硅/氮化镓)MOSFET和IGBT。输出级的高工作电压范围提供门控器件所需的驱动电压。该器件支持高轨到轨输出电压和高峰值输出电流,非常适合直接驱动额定电压高达1200V / 100A的MOSFET和IGBT。 ACPL-W349具有高绝缘电压V IORM = 1140 V PEAK  符合IEC / EN / DIN EN 60747-5-5标准,并通过UL1577认证5000 V RMS 1分钟。 特性 2.5A最大峰值输出电流 宽工作V CC  范围:15至30 V 110ns最大传播延迟 50ns最大传播延迟差异  轨到轨输出电压 100-kV /μs最小共模抑制(CMR)在  V CM   = 1500 V 带迟滞的LED电流输入 I CC = 4.2 mA最大电源电流  带滞后的欠压锁定(UVLO)保护 工业温度范围:-40°C至105°C 安全认证: UL认可5000 V RMS 1分钟。 CSA IEC / EN / DIN EN 60747-5-5 V IORM = 1140 V PEAK ...
发表于 07-04 12:58 242次 阅读
ACPL-W349-000E 2.5A输出电流SiC / GaN MOSFET和IGBT栅极驱动光电耦合器

ACPL-W346-000E 2.5安培输出电流功率,GaN和SiC MOSFET栅极驱动光电耦合器,具有拉伸SO6中的轨到轨输出电压

ACPL-W346是一款高速2.5A栅极驱动光电耦合器,它包含一个AlGaAs LED,它与一个带功率输出级的集成电路光耦合。该光耦合器非常适合用于逆变器或AC-DC / DC-DC转换器应用的驱动电源,GaN(氮化镓)和SiC(碳化硅)MOSFET。输出级的高工作电压范围提供门控器件所需的驱动电压。该光耦合器提供的电压和高峰值输出电流使其非常适合高频直接驱动MOSFET,实现高效率转换。 ACPL-W346具有IEC / EN / DIN EN 60747-5-5中V IORM = 1140Vpeak的最高绝缘电压,并且通过5000 V RMS认可UL1577 1分钟。 功能 2.5 A最大峰值输出电流 2.0最小峰值输出电流 轨到轨输出电压 120 ns最大传播延迟  50 ns最大传播延迟差 带滞后的LED电流输入 I CC = 4.0 mA允许自举电源的最大电源电流 带滞后的欠压锁定(UVLO)保护 100 kV / μ s最小共模抑制(CMR) V CM = 1500 V 宽工作V CC  范围:10工作温度范围:-40°C至105°C 安全认证: UL认可5000 V RMS 持续1分钟。 CSA IEC / EN / DIN EN 60747-5-5 V IORM = 1140 Vpeak 可用选项...
发表于 07-04 12:58 449次 阅读
ACPL-W346-000E 2.5安培输出电流功率,GaN和SiC MOSFET栅极驱动光电耦合器,具有拉伸SO6中的轨到轨输出电压

ACPL-P340-000E 具有轨到轨输出电压的1.0安培输出电流IGBT栅极驱动光电耦合器,采用拉伸SO6封装

ACPL-P340 / ACPL-W340 g 驱动光电耦合器包含AlGaAs LED,光耦合到具有功率输出的集成电路阶段。此栅极驱动 光耦非常适合驱动电源 IGBT 以及用于电机控制逆变器应用的MOSFET 。 输出级的高工作电压范围提供门控器件所需的驱动电压。该光耦合器提供的电压和高峰值输出电流使其非常适合直接驱动IGBT,栅极驱动器额定电压高达1200V / 50A。 对于 具有更高额定值的IGBT ,ACPL-P340 / ACPL-W340  栅极驱动光电耦合器可用于驱动驱动IGBT 栅极的分立功率级。在IEC / EN / DIN EN 60747-5-2中,ACPL-P340和ACPL-W340的绝缘电压最高分别为V IORM = 891Vpeak和1140Vpeak。    功能 1.0最大峰值输出电流 0.8最小峰值输出电流 轨到轨输出电压 200 ns最大传播延迟  100 ns最大传播延迟差异 LED电流输入迟滞 I CC = 3.0 mA最大电源电流以允许自举电源 带滞后的欠压锁定(UVLO)保护 35 kV /μs最小共模抑制(CMR) V CM = 1500 V 宽工作电压V CC  范围:15至30 V 工业温度范围:-40°C至105°C 安全认证: UL认可375...
发表于 07-04 12:57 753次 阅读
ACPL-P340-000E 具有轨到轨输出电压的1.0安培输出电流IGBT栅极驱动光电耦合器,采用拉伸SO6封装

HCPL-5121 2.0安培输出电流IGBT栅极驱动光电耦合器

HCPL-5121是一款采用8引脚陶瓷DIP封装的高可靠性H级密封光电耦合器。还提供镀金引线,焊接浸渍引线和各种引线形式选项。有关详细信息,请参见数据表。 该产品可在整个军用温度范围内运行和存储,也可以商业级或DLA标准微电路图(SMD)5962-04204购买。 。 HCPL-5121在MIL-PRF-38534认证生产线上制造和测试,并包含在DLA 合格制造商列表QML-38534中,用于混合微电路。 该器件由光耦合的GaAsP LED组成到具有功率输出级的集成电路。该器件非常适合驱动用于电机控制逆变器应用的功率IGBT和MOSFET。输出级的高工作电压范围提供门控器件所需的驱动电压。该光耦合器提供的电压和电流使其非常适合直接驱动额定电压高达1200V / 100A的IGBT。对于具有更高额定值的IGBT,HCPL-5121可用于驱动分立功率级,从而驱动IGBT栅极。 特性 高可靠性,8引脚DIP 性能保证从-55摄氏度到125摄氏度 MIL-PRF-38534 H级,QML-38534 双重标记设备部件号和DLA 标准微电路图 2.0 A最小峰值输出电流 高共模抑制(CMR):10 kV /µ s 在VCM = 1000 V 0.5 V最大低电平输出电压 I...
发表于 07-04 12:45 385次 阅读
HCPL-5121 2.0安培输出电流IGBT栅极驱动光电耦合器

HCPL-5151 0.5安培输出电流IGBT栅极驱动光电耦合器

HCPL-5151是一款采用8引脚陶瓷DIP封装的高可靠性H级密封光电耦合器。还提供镀金引线,焊接浸渍引线和各种引线形式选项。有关详细信息,请参见数据表。 该产品可在整个军用温度范围内运行和存储,也可以商业级或DLA标准微电路图(SMD)5962-04205购买。 。 HCPL-5151在MIL-PRF-38534认证生产线上制造和测试,并包含在DLA 合格制造商列表QML-38534中,用于混合微电路。 该器件由光耦合的GaAsP LED组成到具有功率输出级的集成电路。该器件非常适合驱动用于电机控制逆变器应用的功率IGBT和MOSFET。输出级的高工作电压范围提供门控器件所需的驱动电压。该光耦合器提供的电压和电流使其非常适合直接驱动额定电压高达1200V / 50A的IGBT。对于额定值较高的IGBT,HCPL-5151可用于驱动分立功率级,驱动IGBT栅极。 特性 高可靠性,8引脚DIP 性能保证从-55摄氏度到125摄氏度 MIL-PRF-38534 H级,QML-38534 双重标记设备部件号和DLA 标准微电路图 0.5 A最小峰值输出电流 高共模抑制(CMR):10 kV /微; s,在VCM = 1000 V 1.0 V最大低电平输出电压 Icc = 5mA最大电源...
发表于 07-04 12:44 205次 阅读
HCPL-5151 0.5安培输出电流IGBT栅极驱动光电耦合器