Application Note Davis Wen AN005 – March 2014 降壓轉換器效率之分析 摘要 同步降壓轉換電路是被廣泛地使用在提供非隔離電源給需低電壓和高電流之系統晶片。對電源工程師而言， 首要的工作是要充分了解同步降壓轉換器的功率損耗，並進而提昇其效率。本應用須知將對降壓轉換器的 效率作詳細的分析，以了解同步降壓轉換器中各主要功率損耗的來源。 目錄 1. 降壓轉換器的功率損耗分析 .........................................................................................................2 2. 功率損耗之計算...........................................................................................................................2 3. 功率損耗測量值和計算值之比較 ................................................................................................ 11 4. 結論 ..........................................................................................................................................13 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 1 降壓轉換器效率之分析 1. 降壓轉換器的功率損耗分析 若要設計出最佳性能的轉換器就必須充分了解轉換器的功率損耗。圖一顯示了常用的單相同步降壓轉換器 的電路。在同步降壓轉換器電路中，主要的功率損耗分為下列四項： A : 功率半導體的功率損耗 B : 電感的功率損耗 C : 驅動器的功率損耗 D : PCB 走線的功率損耗 圖一、同步降壓轉換器 2. 功率損耗之計算 現在或未來較先進的微處理器都非常地需要低功耗、高效率的同步降壓轉換器。本應用須知將詳細介紹如 何計算在一個典型的同步降壓轉換器中，分別發生在以下各項的功率損耗。計算條件是以轉換器工作在連 續導通模式（CCM） 、固定開關頻率、固定輸入電壓和固定輸出電壓之下的。 A: 功率半導體的功率損耗： HMOS（高側 MOSFET）之功耗有：切換時與導通時之功耗。 LMOS（低側 MOSFET）之功耗有：導通時、空滯期和反向恢復電荷之功耗。 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 2 降壓轉換器效率之分析 HMOS 切通時之功耗： VDS Drain VDriver Cgd RHI Gate RG1 Cds RGATE RLO 圖二、HMOS 切通時之示意圖 Cgs Source 圖二、HMOS 切通時之示意圖 VGS VDriver VDS IDS VGS VPL VTH t1 QTH QGS t2 QSW t QGD QG 圖三、HMOS 切通時之功耗區間 PHS-ON Fsw VDS IDS THS-ON IG-ON AN005 t1 t 2 T Fsw VIN Io HS-ON 2 2 QSW IG,ON VDriver VPL RHI RGATE RG1 © 2014 Richtek Technology Corporation 3 降壓轉換器效率之分析 HMOS 之導通功耗： 高側 MOSFET 之導通功耗是由該 MOSFET 的導通內阻的和它的 RMS 電流來決定。 HS IHG IOUT L + + ILG Gate Signal VIN RLoad COUT LS _ _ 圖四、HMOS 導通時 HG LG IL IHG ILG DT TD1 TD2 DT TD1 TD2 圖五、HMOS 導通時之區間 2 PCON_HS Irms,HG Rds(on),HS 2 Iripple 2 其中 Irms,HG D IOUT 12 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 4 降壓轉換器效率之分析 LMOS 之導通功耗： HS IHG IOUT L + + ILG Gate Signal VIN RLoad COUT _ _ 圖六、LMOS 導通時 HG LG IL IHG ILG DT TD1 TD2 DT TD1 TD2 圖七、LMOS 導通時之區間 2 PCON_LS Irms,LG Rds(on),LS 其中 Irms,LG AN005 2 Iripple 2 (1-D) IOUT 12 © 2014 Richtek Technology Corporation 5 降壓轉換器效率之分析 LMOS 空滯期的自體二極體功耗： 空滯期的功耗是因 LMOS 自體二極體在空滯期導通所引起。 HS IHG IOUT L + + ILG Gate Signal VIN RLoad COUT _ _ 圖八、LMOS 自體二極體導通時 HG LG IL IHG ILG DT TD1 TD2 DT TD1 TD2 : 圖九、LMOS 自體二極體導通時之區間 PDeadtime VSD IL TD2 IL TD1 Fsw Iripple Iripple VSD IOUT TD2 IOUT TD1 Fsw 2 2 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 6 降壓轉換器效率之分析 LMOS 反向恢復電荷之功耗： 圖十、LMOS 自體二極體反向恢復之區間 圖十、LMOS 自體二極體反向恢復之區間 Prr Qrr VDD Fsw Qrr VIN Fsw B: 電感直流與交流之功耗 電感的直流功耗： HS IL IHG + IOUT + L RL_DCR ILG Gate Signal VIN LS RLoad COUT _ _ 圖十一、電感電流的路徑 HG LG IL IHG ILG DT TD1 TD2 DT TD1 TD2 圖十二、電感電流導通之區間 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 7 降壓轉換器效率之分析 2 Pcopper Irms,L RL_DCR 其中 Irms,L 2 IOUT 2 Iripple 12 電感磁芯的功耗： 電感磁芯的功耗主要是因在磁芯材料的交流磁場所引起，功耗大小是和操作頻率與總磁通量有關，且可能 會因不同磁性材料而有所不同。 HG LG ΔI IL IHG ILG DT T D1 T D2 DT T D1 T D2 圖十三、電感之漣波電流 圖十四、磁芯功耗曲線 無論是由計算或量測而得的磁芯功耗，通常都是直接由電感供應商所提供的。若無提供資料，則可用以下公 式來計算磁芯功耗： X Y PL C FSW Bmax Ve Bmax AN005 L ΔI N Ae © 2014 Richtek Technology Corporation 8 降壓轉換器效率之分析 PL 是磁芯功耗 (mW)， FSW ：操作頻率 B：峰值磁通密度，單位 (Gauss) Ve：有效磁芯體積 C，X 和 Y 是每種磁芯材料的功耗參數 C: 柵極驅動器之功耗： 柵極驅動器之功耗是因 MOSFET 驅動器去充/放電 HMOS 和 LMOS 的總電荷 Qg ，所以柵極驅動器 之功耗是和 MOSFET 總柵極電荷、驅動器電壓及 FSW 有關。 VDS Drain VDriver Cgd RHI Gate RG1 Cds RGATE RLO Cgs Source 圖十五、驅動器啟動和關閉之路徑 VGS t3 VDriver VGS t4 VDS VDriver VDS IDS IDS VPL VGS VGS VPL VTH VTH t1 t2 QSW QTH QGS t QSW QGD QGD QG QG 圖十六、MOSFET 被導通 QTH t QGS 圖十七、MOSFET 被關閉 PDriver PGate(HS) PGate(LS) QG(HS) QG(LS) VDriver Fsw AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 9 降壓轉換器效率之分析 D: PCB 之功耗： 圖十八導通的情形分別顯示於圖十九（迴路 1 HMOS 導通）和圖二十（迴路 2 LMOS 導通），其中也將走 線的電阻 Rtr1 ~ Rtr7 等細節模擬進去。 圖十八、PCB 走線示意圖 Rtr1 HS L Rtr2 RL Rtr3 IOUT + + Rtr4 VIN Gate Signal _ Rtr7 LS COUT Rtr5 CESR Rtr6 RLoad _ 圖十九、PCB 迴路 1 走線之示意圖 Rtr1 HS L Rtr2 RL Rtr3 IOUT + + Rtr4 VIN Gate Signal Rtr7 _ LS Rtr5 COUT RLoad CESR Rtr6 _ 圖二十、PCB 迴路 2 走線之示意圖 PCB loss PCB loop1 loss + PCB loop2 loss ILoop12 Rtr1 Rtr2 Rtr3 Rtr6 Rtr7 ILoop22 Rtr3 Rtr4 Rtr5 Rtr6 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 10 降壓轉換器效率之分析 2 Iripple 2 其中 ILoop1 D IOUT 12 ILoop2 2 1 D IOUT 2 Iripple 12 3. 功率損耗測量值和計算值之比較 計算降壓轉換器之功率損耗的公式已清楚介紹並列出如上，將藉由實際應用來查驗這些功率損耗方程式是 否準確。表一列出了典型的降壓轉換器應用之參數；而圖二十一則顯示效率的測量值與計算值之間的比較。 表一、降壓轉換器之應用參數 IC 型號 RT8120 輸入電壓 12V 輸出電壓 1.2V 開關頻率 300kHz VDD 電壓 12V 電感 1µH DCR 1.2mΩ 高側開關 HMOS BSC090N03LS 低側開關 LMOS BSC090N03LS*2 EFFICIENCY vs. LOAD CURRENT 100 100 97.5 95 EFFICIEN CY (%) 92.5 90 CalculateEFF I.OUT Measure I.LOAD 87.5 85 82.5 80 77.5 75 75 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 I.OUT I.LOAD 25 25 LOA D CURRENT (A) 圖二十一、效率測量值與計算值之比較 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 11 降壓轉換器效率之分析 圖二十二分別顯示降壓轉換器中，主要來自於 HMOS，LMOS，電感，驅動器和 PCB 走線等的功耗。可用 此圖來檢視在不同系統負載電流之下，各種功耗的大小。 POW ER LOSS vs. LOAD C URR ENT 3 3 2.7 TOTA L POWER LOSS (W) 2.4 1.8 P.HMOS I.OUT 2.1 P.LMOS I.OUT P.L I.OUT 1.5 P.DRV I.OUT 1.2 PD.PCB I.OUT 0.9 0.6 0.3 0 0 0 2.5 5 7.5 10 0 12.5 15 17.5 20 22.5 25 I.OUT 25 LOA D CURRENT (A) 圖二十二、降壓轉換器中的主要功耗 圖二十三顯示降壓轉換器主要功耗更詳細的分解，並以曲線說明各功耗和負載電流 IOUT 的關係。 HMOS：PHSW （切換時之功耗）和 PHCOD（導通時之功耗） LMOS：PLCOD（導通時之功耗） ，PL_DIODE（空滯期的自體二極體功耗）和 PRR（反向恢復電荷之功耗） 電感：PL（電感的直流與磁芯功耗） 驅動器：PDRV（柵極驅動器電荷之功耗） PCB：PPCB（PCB 走線之功耗） POW ER LOSS vs. LOAD C URR ENT 2.5 2.5 2.25 P.HSW I.OUT 2 1.75 P.LCOD I.OUT P.L_DIODE I.OUT 1.5 P.RR I.OUT 1.25 P.L I.OUT 1 P.DRV I.OUT 0.75 P.PCB I.OUT TOTA L POWER LOSS (W) P.HCOD I.OUT 0.5 0.25 0 0 0 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 I.OUT 25 25 LOA D CURRENT (A) 圖二十三、降壓轉換器主要功耗更詳細的分解 AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 12 降壓轉換器效率之分析 4. 結論 本應用文件分析了同步降壓轉換器的功率損耗，並詳細分析各功率損耗是如何計算的，計算出的功耗再和 實際測量降壓轉換器的功耗作比較。藉著所提供的主要功耗數據，能有效幫助設計者來思考，如何從元件或 PCB 板的佈局來提昇降壓轉換器的效率。 Reference 參考資料 [1] Leon Chen, “Power Loss Analysis for Synchronous Buck Converter”, Application Engineer Dept data, 2013. [2] Nelson Garcia, “Determining Inductor Power Losses”, Coil craft Document 486, 2005. 相關資源 立錡科技電子報 訂閱立錡科技電子報 Richtek Technology Corporation 14F, No. 8, Tai Yuen 1st Street, Chupei City Hsinchu, Taiwan, R.O.C. Tel: 886-3-5526789 Richtek products are sold by description only. Richtek reserves the right to change the circuitry and/or specifications without notice at any time. Customers should obtain the latest relevant information and data sheets before placing orders and should verify that such information is current and complete. Richtek cannot assume responsibility for use of any circuitry other than circuitry entirely embodied in a Richtek product. Information furnished by Richtek is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Richtek or its subsidiaries for its use; nor for any infringements of patents or other rights of third parties which may result from its use. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Richtek or its subsidiaries. AN005 © 2014 Richtek Technology Corporation 13