功率开关管功耗的计算

功率开关管功耗的计算 1 开关管导通时的功耗测试 开通时间 Ton uS 4 955 时间测量以电压波形为基准 开通时电流的最小值 Ion min A 0 222 开通时电流的最大值 Ion max A 0 644 规格书上的导通电阻 Ron resistance homn 3 2 开关管由开通到关断的功耗测试 由开通到关断的时间 Toff rise nS 100 测量电压波形的上升 时间 单位 ns 由开通到关断电压的最大值 Voff max V 288 由开通到关断电流的最大值 Ioff max A 0 637 3 开关管由关断到导通时的功耗测试 由关断到导通的时间 Ton fall nS 47 测量电压波形的下降 时间 单位 ns 由关断到导通电压的最大值 Von max V 198 由关断到导通电流的最大值 Ion max A 0 491 4 周期时间的测量 开关周期时间 Tperiod uS 11 6762 开关管的开关损耗 Pswitch W 0 327087666 开关管的导通损耗 Pon resistance W 0 477385448 开关管的总功耗 Ploss W 0 804473114 5 温度降额的计算 结点到表面的热阻 Rjc W 10 开关管的最高工作温度 Tmax spec 150 高温测得的开关管表面温度 Tmax 81 8 89 8 开关管的实际温度降额 59 9 计算公式 Ploss Pswitch Pon resistance Pswitch 1 6 Voff max Ioff max Toff rise 1 6 Von max Ion max Ton fall Tperiod Pon resistance 0 5 Ion min Ion max 2 Ton Tperiod 降额 Tmax Rjc Ploss Tmax spec 100 3842 电路的保护电路的保护 个人经验 原创 个人经验 原创 3842 电路的保护 用 UC3842 做的开关电源的典型电路见图 1 过载和短路保 护 一般是通过在开关管的源极串一个电阻 R4 把电流 信号送到 3842 的第 3 脚来实现保护 当电源过载时 3842 保护动作 使占空比减小 输出电压降低 3842 的供电电 压 Vaux 也跟着降低 当低到 3842 不能工作时 整个电路 关闭 然后靠 R1 R2 开始下一次启动过程 这被称为 打 嗝 式 hiccup 保护 在这种保护状态下 电源只工作几 个开关周期 然后进入很长时间 几百 ms 到几 s 的启动 过程 平均功率很低 即使长时间输出短路也不会导致电 源的损坏 由于漏感等原因 有的开关电源在每个开关周 期有很大的开关尖峰 即使在占空比很小时 辅助电压 Vaux 也不能降到足够低 所以一般在辅助电源的整流二极 管上串一个电阻 R3 它和 C1 形成 RC 滤波 滤掉开通 瞬间的尖峰 仔细调整这个电阻的数值 一般都可以达到 满意的保护 使用这个电路 必须注意选取比较低的辅助 电压 Vaux 对 3842 一般为 13 15V 使电路容易保护 图 1 是使用最广泛的电路 然而它的保护电路仍有几个问 题 1 在批量生产时 由于元器件的差异 总会有一些电源不 能很好保护 这时需要个别调整 R3 的数值 给生产造成麻 烦 2 在输出电压较低时 如 3 3V 5V 由于输出电流大 过 载时输出电压下降不大 也很难调整 R3 到一个理想的数值 3 在正激应用时 辅助电压 Vaux 虽然也跟随输出变化 但 跟输入电压 HV 的关系更大 也很难调整 R3 到一个理想的 数值 这时如果采用辅助电路来实现保护关断 会达到更好的效 果 辅助关断电路的实现原理 在过载或短路时 输出电 压降低 电压反馈的光耦不再导通 辅助关断电路当检测 到光耦不再导通时 延迟一段时间就动作 关闭电源 图 2 3 4 是常见的电路 图 2 采取拉低第 1 脚的方法关闭电 源 图 3 采用断开振荡回路的方法 图 4 采取抬高第 2 脚 进而使第 1 脚降低的方法 在这 3 个电路里 R3 电阻即使不 要 仍能很好保护 注意电路中 C4 的作用 电源正常启动 光耦是不通的 因此靠 C4 来使保护电路延迟一段时间动作 在过载或短路保护时 它也起延时保护的左右 在灯泡 马达等启动电流大的场合 C4 的取值也要大一点 DC DC 变换器的变换器的 PWM 控制技术控制技术 转载人 Power App 发布时间 2003 年 10 月 20 日 内容 DC DC 变换器广泛应用于便携装置 如笔记本计算机 蜂窝电话 寻呼机 PDA 等 中 它有两种类型 即线性变换器和开关变换器 开关变换器因具有效率高 灵活的正负极性和升降压方式的特点 而备 受人们的青睐 开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性 从输 入电压源获取分离的能量 暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中 或以电场形式存储在电容器中 然后将能量转换到负载 实现 DC DC 变换 实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术 现在 大多数采用 PWM 脉冲宽度调制 技术 从输入电源提取的能量随脉宽变化 在一 固定周期内保持平均能量转换 PWM 的占空因数 是 on 时间 ton 从电源提取能量的时间 与总开关周期 T 之比 对于开关稳 压器 其稳定的输出电压正比于 PWM 占空因数 而且控制环路利用 大 信号 占空因数做为对电源开关的控制信号 开关频率和储能元件 DC DC 变换器中 功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率 影响 磁性元件所耦合的功率是 P L 1 2 LI2f 随着频率的提高 为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小 由于电感与磁性材料的面 积和线匝数有关 所以可以减小电感器的物理尺寸 电容元件所耦合的功率是 P c 1 2 CV2f 所以储能电容器可实现类 似的尺寸减小 元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说 都是非常重要的 可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积 开关变换器拓扑结构 开关变换器的拓扑结构系指能用于转换 控制和调节输入电压的功率 开关元件和储能元件的不同配置 很多不同的开关稳压器拓扑结构可分 为两种基本类型 非隔离型 在工作期间输入源和输出负载共用一个共 同的电流通路 和隔离型 能量转换是用一个相互耦合磁性元件 变压 器 来实现的 而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器 变换器拓扑结构是根据系统造价 性能指标和输入线 输出负载特性诸 因素选定的 非隔离开关变换器 有四种基本非隔离开关稳压器拓扑结构用于 DC DC 变换器 1 降压变换器 降压变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压 输出电压 Vout 和输入电压 Vin 的关系为 Vout Vin 占空因数 Vin Vout 2 升压变换器 升压变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压 输出电压和 输入电压的关系为 Vout Vin 1 1 Vin 3 逆向变换器 逆向变换器将一输入电压变换成一较低反相输出电压 输出电压与输 入电压的关系为 Vout Vin 1 Vin Vout 4 Cuk 变换器 Cuk 丘克 变换器将一输入电压变换成一稳定反相较低值或较高值输 出电压 电压值取决于占空因数 输出电压输入电压的关系为 Vout Vin 1 Vin Vout 0 5 Vin 0 5 隔离开关变换器 有很多隔离开关变换器拓扑结构 但其中三种比较通用 它们是 逆 向变换器 正向变换器 推挽变换器 在这些电路中 从输入电源到负 载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的 1 逆向隔离变换器 逆向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的 较低值或较高值输出电压 输出电压与输入电压的关系式为 Vout Vin 1 N 1 Vin Vout 或 Vin 式中 N 为变压器匝 数比 2 正向隔离变换器 正向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的 较低值或较高值输出电压 输出电压和输入电压关系为 Vout Vin 1 N Vin Vout 或 Vin 3 推挽隔离变换器 推挽隔离变换器将一输入电压变换成一稳定较低值输出电压 它们的 关系为 Vout Vin 2 N Vin Vout PWM 控制技术 控制开关 DC DC 变换器的反馈回路和稳压特性有两种方法 电压模 式控制和电流模式控制 在电压模式控制中 变换器的占空因数正比于 实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值 在电流模式控制中 占 空因数正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值 控 制电流可以是非隔离拓扑结构中的开关电流或隔离拓扑结构中的变压器 初级电流 电压模式控制只响应 调节变换器的占空因数 输出 负载 电压的变 化 这意味着变换器为了响应负载电流或输入线电压的变化 它必须 等待 负载电压 负载调整 的相应变化 这种等待 延迟会影响变换器 的稳压特性 通常 等待 是一个或多个开关周期 负载或输入电压扰动 会产生相应 尽管不一定成比例 的输出电压干扰 在此电路中 A1 是环路误差放大器 A2 是 PWM 比较器 A3 是输出 驱动器 与功率开关的接口 斜波振荡器提供输出电压 VOSC VOSC 在变换器开关周期 ts 期间从 OV 到某最大值 对应于最大占空因数 呈 线性斜波 误差放大器对精密温度补偿基准 VREF 和变换器输出电 压分量 Vout R2 R1 R2 之间的差值进行比较 A1 的输出 VE 正比 于基准电压和 Vout 之间的差值 假若输出电压为零 则 A1 的输出为其 最大值 此最大值与振荡器输出斜波最大值相同 当在 PWM 比较器 A2 的输入存在这种条件时 则 A2 的输出电压在变换器整个开关周期中保 持在最大值 所以 当 Vout 为最小值时 占空因数是在其最大值 假若实际的输出电压超过 Vout 的调整范围 则 A1 的输出将为 或接 近 零 在这种条件下 A2 的输出在整个开关周期期间将保持在其最 小值 输出电压和变换器占空因数之间的反比关系 即输出电压太低会 产生最大占空因数 输出电压太高会产生最小占空因数 为变换器的控 制环路提供稳定的反馈机构 假若能有一种机械使 PWM 控制可以在单个变换周期内响应负载电流的 变化 则 等待 问题和与电压模式控制有关的相应负载调整补偿可以消 除 用电流模式控制做到这点是可能的 电流模式控制把变换器分成两条控制环路 电流控制通过内部控制 环路而电压控制通过外部控制环路 其结果在逐个开关脉冲上不仅仅可 以响应负载电压的变化而且也可响应电流的变化 上图示出一个典型的电流模式 PWM 控制电路 在此电路中 A1 是电 压环路误差放大器 A2 是 PWM 比较器 A3 是输出驱动器 与功率开 关的接口 振荡器以开关频率 fs 提供窄同步脉冲 它把 PWM 锁存 G1 的输出 Q 置于逻辑高态并表示另一变换周期的开始 和电压模式控制的情况一样 误差放大器 A1 对精密温度补偿基准 VREF 和变换器输出电压分量 Vout R2 R1 R2 之间的差值进 行比较 A1 的输出正比于基准电压和 Vout 之间的差值 假若输出电压为零 则 A1 输出是它的最大值 假若输出电压超过 Vout 的调整范围 则 A1 输出将为 或接近 零 所以 当变换器输出 正在调整时 A1 的输出处在最大和最小值之间的某一平均值 VA 此 值对 PWM 比较器 A2 是反相输入 实质上它变成电流反馈信号的基准 注意 假若在 A2 的 输入上电压大于其 输入上的电压 则 A2 的输出 电压是在其最小值 逻辑低态 假若电阻器 Rs 感测到开关或初级电流 则呈现在 A2 输入端的电压 Vs 为 IsRs Vs 电压正比于开关电流 当 Vs 值达到 VA 值时