系统效率解析成不同的组件损耗

市面上售有各种类型的稳压器，但很难选择一款直流/直流稳压器。大多数汽车应用都要求在整个负载范围内保持高效率，因为它们一直在耗电。但话又说回来，许多工业应用在高负载时需要高效率，而在轻负载时，效率并不是很重要。因此必须了解直流/直流稳压器中的损耗。阅读直流/直流转换器数据表中提供的效率曲线时也萌生了一些问题，比如“为什么在轻负载时功率较低呢？”“为什么在重负载时功率会下降呢？”在该系列博客中，我会以SWITCHER® LM2673 3A降压稳压器为例，尝试将系统效率解析成不同的组件损耗。

图1所示为评估模块（EVM）示意图。

图1：设计原理图

栅极电荷和IC损耗

在诸如LM2673的典型非同步降压稳压器中，功耗部件包括集成电路、电感器和箝位二极管。穿过输入和输出电容和寄生等效串联电阻（ESR）的均方根（RMS）电流非常低；因此，你可以忽略这些组件的损耗。

由于结构关系，每个MOSFET在其端子之间都有一些寄生电容。它们是栅漏电容（CGD）、源极电容（CGS）和漏电容（CDS），如图1所示。电容值视MOSFET尺寸、装配和其它工艺参数而有所不同。理想的MOSFET过渡时间为零，与此不同的是，这些寄生电容具有有限的开关时间，如图2所示。

图2：MOSFET的寄生电容

如图3所示，有限的开关时间是输入电容（CISS）充放电的结果。输入电容基本上是CGS和密勒电容（CGD）相加所得。栅极电荷（QG）是源极电荷（QGS）和栅漏电荷（QGD）相加所得。MOSFET的栅极电荷是需要完全开启MOSFET的电荷。

图3：栅极电荷和密勒平台

MOSFET驱动器提供电流（ICC），您可以使用公式1进行估算：

其中，FSW是指直流/直流稳压器的开关频率。

对于像LM2673一样具有集成高侧MOSFET的转换器来讲，数据表中并未列出QG等参数。因此，你需要在实验台上以不同的方式估算ICC。启动设备后，断开负载，测量输入电流。在未连接载荷的情况下，该输入电流测量基本上测量ICC电流。ICC电流也称为工作静态电流。请参考“其他资源”部分中的链接，了解更多信息。

为了更准确地计算，可以使用德州仪器的WEBENCH® Power Designer软件。WEBENCH Power Designer具有所有内部MOSFET参数的信息，因此在计算损耗时可将这些考虑在内。

如等式1所示，电流直接与开关频率（FSW）成正比。由于MOSFET驱动器在提供该电流，驱动器中会有损耗。驱动电压（VCC）由内部低压差稳压器（LDO）设置。驱动器中的损耗以等式2表示：

因为直流/直流稳压器内的LDO提供该电流，在LDO中也会有功耗。此功耗通过等式3表示：

如果将等式2和等式3相加，可以得出LDO和驱动器（等式4）的总功耗：

因此，输入电压越高，损耗也会增加。此外，栅极电荷直接影响开关损耗。如果内部MOSFET具有较大的寄生电容，那么所得的栅极电荷将会更大；在开关转换所花费的时间也将会更长。因此会增加开关损耗。

在本系列的下一篇文章中，我将解释栅极电荷如何与MOSFET的开关损耗相关；轻负载效率如何依赖于这些损耗；以及总损耗如何影响直流/直流稳压器的传导损耗和整体效率。

审核编辑：何安